微軟通過量子計算工具包為下一代計算機發揮作用

在昨天的Ignite會議上，微軟公布了其計劃中的下一個重大任務：量子計算。今年晚些時候，微軟將發布一款新的量子計算編程語言，以及完整的Visual Studio集成以及量子計算模擬器。通過這些，開發人員將能夠開發和調試實施量子算法的量子程序。

量子計算使用諸如疊加和糾纏之類的量子特征來執行計算。在傳統數字計算機由比特形成的情況下，每一位表示一個或零個量子計算機由一些量子位（量子比特）構成。Qubits在某種意義上代表了一個和零個同時（1和0的量子疊加）。量子位表示多個值的這種能力使得量子計算機比傳統計算機具有更大的計算能力。

傳統的計算機是由邏輯門組成的晶體管組合，以各種方式組合使用它們來執行操作，但這種構造在很大程度上對於為他們編寫程序是不可見的。程序和算法不是用邏輯門寫的，他們使用更高級的結構，從算術到函數到對象等等。量子算法也不是這樣，迄今為止開發的量子算法在某些方麵比軟件開發人員更熟悉電子工程師，算法通常表示為量子電路 ，量子邏輯門的布置，量子位流通過量子比特流程而不是更典型的編程語言概念。

Microsoft的量子編程語言（尚未命名）提供了一個更加貼切的條件，編程量子計算機借用C＃，Python和F＃中的元素。開發人員仍然需要使用和理解量子邏輯門及其操作，但是他們可以使用它們來編寫函數，使用變量和分支以及其他典型的結構。作為一個例子，提供了執行量子傳送的程序，用於量子計算：

這段代碼有一些功能，EPR並且Teleport連同第三個函數TeleportTest一起測試該Teleport函數的工作原理。使用生成具有相同概率為1或0的量子比特的Hadamard gateEPR創建一個糾纏的量子比特的EPR對H，以及一個被控製的非門，它們使兩個量子位形成EPR對。該Teleport功能使兩個量子位相交，然後測量（和M）其中一個的值。測量強製量子位采用特定值而不是疊加的兩個值。

該語言集成到Visual Studio中。這意味著不僅支持顏色編碼，還支持其他Visual Studio功能，如調試。當然，調試程序意味著你必須能夠運行它們。微軟也將發布兩個版本的量子模擬器。一個版本將在本地運行; 另一個版本將在Azure上運行。模擬器將能夠運行量子程序，並提供與傳統的Visual Studio調試體驗相當的功能，以便算法在運行時被檢查。

它將具有相當大的內存要求。本地版本最多可以提供32個量子位，但這樣做將需要32GB的RAM。每個額外的量子位使所需的內存量增加一倍。Azure版本將擴展到40個量子位。

長期來看，當然就是在真正的量子計算機上運行。但是，微軟沒有一個，但該公司正在研究拓撲量子位的發展。這些是有吸引力的，因為它們有助於解決量子計算機麵臨的一致困難。量子態是微妙的，量子噪聲將誤差引入到計算中。額外的量子位可以添加到算法中，以糾正這種噪聲。額外量子位的數量根據算法和使用的量子機的種類而有所不同; 原則上，拓撲量子位將需要比其他量子計算機設計更少的糾錯量子位。

所需量子位數量的減少是有價值的，因為目前的原型量子計算機遠遠小於做有用工作所需的尺寸。所需的量子位數取決於應用和領域。微軟正在設想從量子化學到材料科學到醫學發展或氣候變化研究的廣泛應用。在化學應用中，可以使用幾百個量子位，例如幫助開發固氮用催化劑。則材料科學應用需要幾千個。

但是，與已經建成的量子計算機相比，這些數字是巨大的。例如，去年，IBM提供訪問量子位計算機。微軟的希望是，拓撲量子位提供的更大的錯誤保護將最終使得更容易構建足夠大的實際工作的量子計算機。

如果設法建立一個大型的量子計算機。某種加密獲得他們的安全性，因為整數因式分解，將數字分解成較小的數字，當相乘時產生原始數字，被認為對於傳統計算機來說是困難的。RSA加密使用大的整數（2048或4096比特），通常是通過將兩個大素數相乘而產生的，RSA從這個乘法在某種意義上是“不可逆的”獲得其強度。鑒於這兩個素數的產物，很難弄清楚素數是多少。另一種加密方式，Diffe-Hellman具有類似的屬性; 數學問題略有不同（稱為離散對數），但同樣的概念也適用; 傳統電腦沒有一個很好的算法。

但是，我們對量子計算機有一個很好的算法。我們需要更大的量子計算機，因素分解一個數字，n 位需要大約2n個量子位，所以我們說的是像4000到8000個量子位，以打破今天的通用加密，但如果開發了用於構建數千個量子位的量子計算機的技術，這些加密算法將變得極其脆弱。

隨著開發量子計算機和量子程序的工作，微軟也在研究所謂的量子阻抗加密算法。這些算法在運行在傳統計算機上，即使在具有大量子計算機的世界中仍然保持安全。開發，驗證和廣泛部署的這些算法將需要很多年。

幸運的是，量子計算的未來是不可估量的。現在微軟正在為今天的量子預覽做準備。預覽與模擬器和編程語言將在年底前發布。它還將包括教程和庫，以幫助開發人員熟悉量子計算。