如果量子計(jì)算機(jī)的性能能夠達(dá)到預(yù)期，那么它將在藥物研發(fā)、人工智能甚至當(dāng)代物理研究中發(fā)揮重要作用。

【編者按】本文轉(zhuǎn)自DeepTech深科技；編輯：離子心、十三
目前，業(yè)界普遍對量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化前景表示樂觀。而曾幾何時，量子計(jì)算機(jī)還只是科幻小說家的紙面玩意。如果量子計(jì)算機(jī)的性能能夠達(dá)到預(yù)期，那么它將在藥物研發(fā)、人工智能甚至當(dāng)代物理研究中發(fā)揮重要作用。

過去數(shù)年中，科技巨頭谷歌和IBM已經(jīng)在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)領(lǐng)域開始行動，而相比之下一直比較沉寂的微軟公司也終于開始發(fā)力。

昨日，微軟官方網(wǎng)站刊文指出，這家科技巨頭將著手量子計(jì)算工程樣機(jī)研發(fā)，把已經(jīng)進(jìn)行了十多年的量子計(jì)算機(jī)研究工作付諸于實(shí)踐，而且其宣稱這可能是一臺能擊敗谷歌和IBM的量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)。

一般而言，由晶體管構(gòu)成的傳統(tǒng)比特在特定時刻只能處于0或1這兩種狀態(tài)中的一種，所以計(jì)算能力有限。然而，量子比特可以處于0和1的疊加態(tài)。若某個量子比特和其他量子比特彼此之間存在糾纏態(tài)，那么這一組量子比特可以同時表示大量的數(shù)。而一臺真正意義上的量子計(jì)算機(jī)將包含幾百甚至上千個量子比特，其計(jì)算能力將是無比強(qiáng)大的。

而微軟的信心則來源于其選擇的獨(dú)特研發(fā)路徑。與谷歌和IBM使用超導(dǎo)導(dǎo)線環(huán)作為量子比特不同，微軟的思路是基于一種被稱為“任意子”（anyons）的粒子，這種粒子只能存在于二維空間。無疑，任意子的奇異物理特性被微軟所看好。

微軟的野心

早在2005年，微軟就建立了“Q站”（StationQ），由數(shù)學(xué)家米切爾·弗里德曼（Michael Freedman）領(lǐng)導(dǎo)，從事量子計(jì)算基礎(chǔ)研究。

時至今日，據(jù)負(fù)責(zé)量子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的微軟資深技術(shù)經(jīng)理托德·霍爾姆達(dá)爾（Todd Holmdahl）的透露，微軟目前已經(jīng)基本完成了基本量子比特模塊的設(shè)計(jì)，正在進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)。

托德·霍爾姆達(dá)爾認(rèn)為，量子計(jì)算正處在理論研究轉(zhuǎn)向工程研發(fā)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。盡管能否達(dá)成最終目標(biāo)仍有不確定性，但微軟長期以來的量子計(jì)算研發(fā)積累讓托德·霍爾姆達(dá)爾相信，打造微軟版量子計(jì)算樣機(jī)的條件已經(jīng)成熟。考慮到一旦成功帶來的巨大收益，值得為此冒適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險。

陶德·霍爾姆達(dá)爾（ToddHolmdahl）是微軟的量子計(jì)算硬件和軟件研發(fā)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人

霍爾姆達(dá)爾表示，一旦第一個量子比特制成，微軟將開始構(gòu)建大規(guī)模量子比特陣列的研究。

迄今為止，物理學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)界仍在爭議——能否制造出像支持者設(shè)想的那樣工作的量子計(jì)算機(jī)。

一些研究團(tuán)隊(duì)試圖用其他的材料和方案制造量子比特，而微軟的底牌則是“拓?fù)淞孔颖忍?/span>”。相比之下，微軟的方案“拓?fù)淞孔佑?jì)算”是基于三位物理學(xué)家對只能存在于二維世界的物體的研究成果，該成果曾獲得了本年度諾貝爾物理學(xué)獎。

辮子數(shù)學(xué)理論或?qū)⒊蔀槲磥硗負(fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的基礎(chǔ)

通常而言，量子比特是量子計(jì)算機(jī)的基本單元，一組量子比特可以同時處理一個問題的多個解，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能串行處理。

但擋在量子計(jì)算機(jī)前面的最大障礙是：量子比特太不穩(wěn)定。因此，量子計(jì)算機(jī)必須被放在超低溫下，才能工作得長一點(diǎn)。

但在面對電子噪聲和熱干擾的時候，微軟所采用的拓?fù)淞孔颖忍貏t具有更強(qiáng)的魯棒性，可以用來制造更穩(wěn)定、更有效的量子計(jì)算機(jī)。

IBM量子計(jì)算機(jī)的冷卻裝置

微軟很重視工程樣機(jī)研發(fā)，但這家科技巨頭并不僅僅想要一臺只能在實(shí)驗(yàn)室中工作的量子計(jì)算機(jī)，而是希望提供量子計(jì)算軟硬件接口，從而讓對量子計(jì)算并不精通的其他領(lǐng)域?qū)＜乙部梢杂迷摍C(jī)器來解決現(xiàn)實(shí)世界中的問題，從而量子計(jì)算機(jī)將能夠引領(lǐng)新一輪信息技術(shù)革命，在醫(yī)藥和材料科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大突破。

與此同時，在啟動量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)研制的同時，微軟還啟動了相應(yīng)的量子計(jì)算軟件研發(fā)項(xiàng)目，目的在于開發(fā)能夠求解復(fù)雜問題的軟件。軟硬件之間的研發(fā)工作還可以互相推動，共同促進(jìn)。

微軟量子計(jì)算項(xiàng)目負(fù)責(zé)人霍爾姆達(dá)爾指出，第一個晶體管在50年前被發(fā)明出來的時候，沒有一個科學(xué)家能想到類似于手機(jī)之類的應(yīng)用。而如今，量子計(jì)算機(jī)也處于這樣一個類似的爆發(fā)點(diǎn)。

在霍爾姆達(dá)爾看來，量子計(jì)算火候已到，他可不想錯過這樣一個風(fēng)口。

微軟已做好技術(shù)儲備迎接“量子未來”

更重要的是，某些技術(shù)未必會在人類充分了解其物理原理后才會出現(xiàn)。比如，理查德·費(fèi)曼（Richard P. Feynman）在1982年就預(yù)見了量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。

對此，微軟項(xiàng)目組主要成員查爾斯·M·馬庫斯以自家的一輛舊汽車做了類比。在購買這輛車時，儀表盤上還有能把煙灰直接從香煙上吸走的煙灰吸收器。

馬庫斯認(rèn)為，當(dāng)時應(yīng)該一定有不少人認(rèn)為，煙灰吸收器就是汽車技術(shù)發(fā)展的巔峰，而沒人設(shè)想過自動駕駛汽車。

因此，馬庫斯對量子計(jì)算機(jī)的前景表示樂觀——現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)如同煙灰吸收器一樣是個雛形，但遲早有一天會像自動駕駛汽車一樣改變世界。

全球頂尖量子計(jì)算大腦齊聚StationQ

霍爾姆達(dá)爾的項(xiàng)目組成員包括代爾夫特大學(xué)物理學(xué)家里奧·科文霍芬（Leo Kouwenhoven）、哥本哈根大學(xué)的查爾斯·M·馬庫斯（Charles M. Marcus），悉尼大學(xué)的戴維·賴?yán)―avid Reilly）和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的馬蒂斯·托爾（MatthiasTroyer）——這些專家都屬于微軟近期成立的、由高級技術(shù)經(jīng)理哈利·山姆（Harry Shum）領(lǐng)導(dǎo)的人工智能研究小組。

查爾斯·M·馬庫斯教授位于哥本哈根大學(xué)的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室

馬庫斯教授跟微軟合作的開端非常偶然。在一次會議的午餐時，他恰好坐在微軟StationQ負(fù)責(zé)人米切爾·弗里德曼身邊，他向弗里德曼表示，量子信息技術(shù)革命不會到來，除非科學(xué)家、硬件工程師和軟件工程師能更緊密地相互合作。目前來說，微軟量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該引入更多的長期合作者。

于是，弗里德曼接受了這一意見——馬庫斯教授與微軟的長期合作就此開始。

馬庫斯博士認(rèn)為，科學(xué)家們近期在控制量子比特材料方面做出重大突破——這種控制技術(shù)采用了半導(dǎo)和超導(dǎo)材料的結(jié)合。此外，其他技術(shù)方案也提出，可以將量子計(jì)算機(jī)冷卻至接近絕對零度。

 微軟與馬庫斯教授的量子設(shè)備研究中心共同組成了StationQ

此外，StationQ另一位主要合作方、荷蘭代爾夫特大學(xué)的科文霍芬教授在學(xué)生時代就致力于量子計(jì)算機(jī)研究，那時他甚至還不知道量子計(jì)算機(jī)是否可行。機(jī)緣巧合之下，他參觀了微軟位于加州圣芭芭拉的研究機(jī)構(gòu)，并與研究實(shí)驗(yàn)室主任、拓?fù)鋽?shù)學(xué)家米切爾·弗里德曼進(jìn)行了令人振奮的交流。

隨后，他開始了同微軟的合作。多年合作之后，微軟量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)終于認(rèn)為，建造量子計(jì)算樣機(jī)的條件已經(jīng)成熟。工程樣機(jī)不僅可以驗(yàn)證理論，還可以為科學(xué)研究提出新的問題。

科文霍芬和馬庫斯在2014年微軟加州圣芭芭拉StationQ大會上的合影

科文霍芬和馬庫斯已經(jīng)在微軟量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)任職多年，而在他們的實(shí)驗(yàn)室中，微軟撥款所占的比重日益正價。在擔(dān)任微軟技術(shù)負(fù)責(zé)人職務(wù)后，他們?nèi)詫⒈Ａ魧W(xué)術(shù)職位，并在各自的大學(xué)中為微軟的量子計(jì)算機(jī)項(xiàng)目貢獻(xiàn)力量。

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