穀歌要量子霸權？微軟有望憑100個拓撲量子比特計算機反超

這是打造“通用型”量子計算機的競賽，而微軟有望借助“天使粒子”實現“彎道超車”。

在IBM、穀歌、英特爾等公司紛紛宣布最新進展，為實現“量子霸權”摩拳擦掌時，不走尋常路的微軟在2018年的Build大會（微軟全球開發者大會）上宣布：微軟能夠在五年內造出第一台擁有100個拓撲量子比特（Topological qubit）的量子計算機，計算力相當於1000個邏輯量子比特（logical qubit），並且將其整合到自己的人工智能雲平台Azure當中。

這意味著5年之後，微軟已經可以用量子計算機解決實際問題了。

另辟蹊徑的研究路徑：拓撲量子計算機

傳統計算機使用的運算規則是二進製，用0和1記錄信息狀態。但量子計算機則由量子狀態來描述信息，根據量子的特性它可以同時表示多種狀態，並同時進行疊加運算，因而擁有更快速的運算方式。

基於這樣的特性，量子計算可以通過編程，快速解決傳統計算機難以解決的問題。舉個例子，某天，你被要求5分鍾內在圖書館某一本書的某頁上找到一個大寫字母“X”，這幾乎是不可能的，因為那裏有5000萬冊書。但是如果你處於5000萬個平行世界中，每個你，都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個世界中找到這個“X”。

在這個假設中，傳統計算機就像現在的你，手足無措，絕望地在5分鍾試圖遍盡所有的書。而量子計算機卻能將你複製出5000萬個，每個人隻需翻找一本書即可。

目前，包括穀歌、IBM、英特爾、微軟等在內的世界重要科技公司，都在押注，希望能率先打造出通用型的量子計算機。

穀歌、IBM、英特爾，選擇了相對成熟的硬件來研發量子計算，比如超導導線環（loops of superconducting wire），來製作量子比特（qubit）。它們具有在同一時間保持在開和關兩種狀態的混合或疊加態的能力，能驅動量子計算機做快速計算。

相比之下，微軟另辟蹊徑，走了一條更曲折的路線：希望能以一種準粒子（quasiparticle）的狀態編碼量子比特——一種從物質的相互作用中出現的粒子狀物體（object）。

拓撲量子比特的示意圖

不過，這個想法太超前，對於微軟想實現量子比特的這種物質，許多科學家甚至都不確定是否存在。

到目前為止，微軟並不像其他幾家巨頭，能時常宣布最新進展，事實上，微軟到目前為止甚至連一個量子比特都未完成。但微軟對自己選擇的路徑充滿信心。

微軟研究量子結構和計算組成員Alex Bocharov曾在接受《自然》雜誌采訪時稱，在大多數量子係統中，信息被編碼到粒子的屬性中，與周圍環境最輕微的相互作用都會破壞它們的量子態。這意味著他們的操作精確度可能達到了99.9%，但在解決現實問題上，我們需要的精確度水平是99.99999999%，所以你需要創造出一個大型陣列的量子比特，能讓你來修正這些誤差。拓撲量子計算有達到99.9999%或99.99999%的潛力，這意味著我們不再需要做大量昂貴的誤差校正了。

微軟在量子計算機領域裏十幾年的堅持，在今年得到了回報。3月29日，微軟研究人員在《自然》雜誌上發布最新論文，宣布其量子計算取得重大突破：他們發現“天使粒子”——馬約拉納費米子存在的有力證據：在特殊製備的導線中，將電子分為兩半。如果微軟希望建造一台能工作的量子計算機，這將是至關重要的。

對於這個突破，微軟量子計算業務發展總監Julie Love在接受媒體采訪時說：“我們的一個量子比特將會有1000個、甚至10000個嘈雜的量子比特那樣強大。”

微軟量子計算機的優勢

微軟量子計算研究團隊的自信並無道理。

首先，如果一家公司想要要製備出能真正運行的量子計算，仍需要解決一個重要問題。因為在處理量子狀態時，它們在一種名為相幹性（Coherence time，相幹時間，就是信道保持恒定的最大時間差範圍）的過程中往往存在一段很短的時間。這意味著，量子比特回到0和1經典的計算狀態之前，研究員隻有一個短暫的時間窗口。在上個世紀90年代末期，研究人員隻有短短幾納秒（1秒= 1000000微秒，1微秒= 1000納秒）的時間可以關注相幹性。

由於微軟采用的是“拓撲量子比特”進行計算，而不是普通的“邏輯量子比特”。拓撲量子比特的特點就在於，它是通過基本粒子的拓撲位置和拓撲運動來處理信息的。無論外界的幹擾怎麼蹂躪它的運動路徑，隻要它還是連續變化，從拓撲角度來看，都是一樣的。

形象地說，如果你有一塊某種形狀的橡皮泥，在不撕裂和重新粘合的情況下，隨便你怎麼捏、擠、搓、拉，隻要最後能從形狀A變成形狀B，那麼在拓撲數學來看，A和B就是同一個東西。

三組拓撲等價的物體

這樣一來，用拓撲量子比特進行計算，對於外界的幹擾有極強的容錯能力。基於拓撲量子比特的計算機就可以把規模做得很大，能力做得很強。

微軟的第二個優勢來自自身的人工智能雲計算平台——Azure。今年微軟開發者大會的核心主題就 是如何將微軟關於智能雲計算與智能邊緣計算的願景轉化為現實。其中，Azure是實現這一願景的關鍵，這是微軟為實現智能而打造的雲平台，它融入了微軟在人工智能領域的全部投入與技術積累。

按照微軟副總裁、量子計算部門的負責人托德·霍爾姆戴爾（Todd Holmdahl）在這次微軟大會上的設想，5年之後，微軟的量子計算機可以加入到Azure之中，那就意味著全世界的Azure用戶都有機會使用這台量子計算機解決問題。屆時，Azure很有可能成為最大的量子計算平台。

微軟副總裁、量子計算部門的負責人 Todd Holmdahl

微軟的第三個優勢在於整合開發工具。盡管量子計算機還未實現，但憑借一貫強大的開發和編程，微軟在量子計算開發工具上已經有所進展。

2017年，微軟已經推出了Q#量子計算編程語言，並集成到Visual Studio當中。與此同時，微軟也提供了本地和雲上的量子計算機模擬器，可以讓開發者能提前嚐鮮，在經典的計算機體係結構上嚐試量子計算，或者通過Azure雲計算服務測試。