《Nature》突破！InAs–Al 混合器件实现单次干涉测量费米子宇称，拓扑量子计算再进一步

为解决拓扑量子计算中费米子宇称测量及相关难题，微软 Azure Quantum 的研究人员开展 InAs–Al 混合器件费米子宇称测量研究，实现单 - shot 干涉测量且误差率 1%。该成果对拓扑量子计算意义重大，值得科研人员一读。

　　

在量子计算这个神秘而充满无限可能的领域，科学家们一直在努力探索，试图找到一种更强大、更稳定的计算方式。拓扑量子计算（measurement-only topological quantum computation），作为其中的一颗璀璨明星，吸引了无数科研人员的目光。它的核心奥秘在于非阿贝尔任意子（non-Abelian anyons）的融合，这一融合操作就像是一把神奇的钥匙，有望开启量子计算新的大门，实现更高效、更可靠的计算。

在一维拓扑超导体（1DTSs）的微观世界里，非阿贝尔任意子的融合实际上就是确定马约拉纳零模（MZMs，Majorana zero modes）的共享费米子宇称（fermion parity）。这听起来有些复杂，但简单来说，马约拉纳零模就像是量子世界中的小精灵，它们的一些特殊性质对于实现拓扑量子计算至关重要，而费米子宇称则是描述这些小精灵状态的一个关键指标。为了深入了解这个神秘的领域，科学家们一直在寻找合适的方法来精确测量费米子宇称。

然而，之前的研究遇到了不少难题。一方面，虽然有一些关于拓扑量子比特的概念设计中包含了用于测量费米子宇称的干涉仪，但这些方案需要对干涉回路中的费米子宇称进行时间分辨测量，而传统的直流输运测量（dc transport measurements）只能得到时间平均的费米子宇称，无法满足这一需求。另一方面，如何区分拓扑相中的马约拉纳零模和普通相中经过微调的低能安德烈夫束缚态（Andreev bound states），也是一个亟待解决的问题。这些问题就像一道道屏障，阻碍着拓扑量子计算的发展。

为了攻克这些难题，来自微软 Azure Quantum 的研究人员展开了一场充满挑战的科研之旅。他们的研究成果发表在了《Nature》期刊上，论文题目为 “Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices”。经过不懈努力，他们成功实现了在铟砷 - 铝（InAs–Al）混合器件中对费米子宇称的单次干涉测量，并且将测量的分配错误概率降低到了 1%。这一成果就像是在黑暗中点亮了一盏明灯，为拓扑量子计算的发展带来了新的希望。

在这场科研探索中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们精心设计了一种独特的器件架构，该架构主要由两部分组成：一部分是纳米线，如果纳米线处于 1DTS 状态，其两端会出现马约拉纳零模；另一部分是量子点，这些量子点被巧妙地设计用来在干涉回路中耦合马约拉纳零模对。为了实现对量子电容的测量，研究人员采用了基于色散门传感（dispersive gate sensing）的方法，通过一个片外谐振器电路来读取量子点的量子电容变化。此外，他们还开发了一种基于射频（rf）的量子点 - 马约拉纳零模调谐协议，利用该协议可以精确地平衡干涉仪的臂，并提取出各种耦合参数。

下面，让我们一起深入了解一下他们的研究结果。

器件设计与设置

研究人员打造的这个神奇的器件，有着精妙的设计。纳米线基于门控超导体 - 半导体异质结构，由一条狭窄的铝条来定义，铝条就像一个忠诚的守护者，抑制着其下方的耗尽现象。在这个器件中，有五个由 “柱塞” 门分别控制的纳米线部分，通过这些门，研究人员可以像操控木偶一样，独立地调节每一部分的电子密度。而他们重点关注的是其中的第二部分，并利用与之相关的干涉仪来进行宇称测量。

他们的读出电路是基于一个三量子点干涉仪（TQDI，triple quantum dot interferometer）的色散门传感。这个三量子点干涉仪就像是一个精密的仪器，由三个静电定义的量子点和第二段纳米线共同组成一个被磁通量（Φ）贯穿的回路。研究人员可以通过改变面外磁场（）来灵活地控制磁通量。其中，两个较小的量子点（量子点 1 和量子点 3）就像两个调节旋钮，分别用于调节与 1DTS 两端的隧道耦合（和），而长量子点（量子点 2）则连接着这两个小量子点。量子点 2 的量子电容（）通过片外谐振器电路的反射测量法来读取，整个过程就像一场精准的舞蹈，每个环节都紧密配合。

为了让干涉仪达到最佳状态，研究人员还开发了一种基于射频的调谐协议。他们通过测量在一种特殊配置下（其中一个小量子点被最大程度失谐，相当于暂时断开了回路）的量子电容，并与模拟结果进行对比，从而成功提取出了各种耦合参数，如、、和。这一过程就像是在解开一个复杂的谜题，每一个参数都是谜题中的关键线索。

费米子宇称测量与解释

在进行费米子宇称测量时，研究人员对三量子点干涉仪进行了精细的调谐，然后进行了一场 “数据马拉松”：连续进行了近次对谐振器响应的测量，每次测量的积分时间为 4.5 微秒，最终记录下了总长度为 67 毫秒的时间轨迹。为了让数据更加清晰，便于与理论预测进行对比，他们还对时间轨迹进行了下采样处理，就像给数据做了一次 “瘦身”，让关键信息更加突出。

他们通过扫描量子点 2 的电荷跃迁（改变），并以 0.14 毫特斯拉的步长扫描磁场的 x 分量（），来研究磁通量（Φ）对测量结果的影响。在这个过程中，他们发现，当量子点的柱塞被调到合适的位置，尤其是接近共振时，测量得到的记录会在两个电容值之间来回切换，这两个电容值的差值（）会随着的变化而振荡。在某些值下，这种切换消失了，就像小信号突然 “隐身” 了一样；而在一般的值下，会出现明显的随机电报信号（RTS，random telegraph signal）。通过对数据的仔细分析，他们从时间轨迹中提取出了信噪比（SNR，signal-to-noise ratio），在 90 微秒内达到了 5.01，相当于在 3.6 微秒内信噪比为 1。而且，他们还发现信号切换的间隔时间遵循指数分布，特征时间约为 2 毫秒。通过绘制时间轨迹的直方图，他们观察到了值的双峰分布，并且这个双峰分布与磁通量有关，振荡周期为 1.9 ± 0.1 毫特斯拉，这与理论预期的通过干涉回路的磁通量完全一致。研究人员认为，量子电容中的随机电报信号来源于纳米线中费米子宇称的切换，就像是纳米线中的小精灵在调皮地变换着状态。

为了验证这个解释，研究人员进行了量子动力学模拟。他们先使用了一个理想化的模型，在这个模型中做了一些假设，比如纳米线处于拓扑相，除了马约拉纳零模外没有其他亚能隙态等。在这个模型下，他们推导出了量子电容与总费米子宇称、磁通量等参数之间的关系。为了更真实地模拟实验情况，他们还考虑了射频驱动功率、电荷噪声和温度等因素，使用了更完整的模型进行模拟。模拟结果与实验数据非常吻合，无论是直方图还是峰度（kurtosis）都高度一致，这进一步证明了他们对实验现象解释的正确性。

此外，他们还对其他可能的情况进行了研究。比如，他们分析了之前研究中提到的准马约拉纳零模（quasi-MZM）场景，发现隐藏的马约拉纳模式会抑制，除非隐藏模式与可见马约拉纳零模之间的耦合非常小或者隐藏模式被有效地打开能隙，否则与磁通量相关的双峰分布就会消失。这一发现就像是在探索量子世界的过程中，又发现了一个隐藏的 “小秘密”。

讨论与展望

通过这次研究，研究人员在基于测量操作实现拓扑量子比特的道路上迈出了坚实的一步。他们在 InAs–Al 混合器件中通过色散门传感测量量子电容，观察到了与磁通量相关的双峰随机电报信号，并将其解释为纳米线中费米子态宇称的切换。虽然这些测量本身并不能确定通过干涉测量检测到的低能态是否是拓扑的，但他们的数据对普通安德烈夫态模型中允许的能量分裂进行了严格的限制，为后续的研究提供了重要的线索。

这次的研究成果意义重大。它为拓扑量子计算的发展提供了关键的技术支持，使得基于马约拉纳零模的拓扑量子计算架构更接近现实。单次费米子宇称测量是马约拉纳基拓扑量子计算架构的关键要求，这项研究成果就像是为这个架构打下了一块重要的基石。未来，研究人员可以基于此进一步探索拓扑量子计算的奥秘，也许在不久的将来，我们就能看到拓扑量子计算在各个领域发挥巨大的作用，为人类的科技发展带来新的突破。就像一场精彩的冒险还在继续，科学家们将带着这些宝贵的发现，继续在量子计算的神秘世界中探索前行，期待他们能发现更多的惊喜，为我们带来更多的可能。