微軟用量子計算讓腫瘤檢測快30%，精度提高25%

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導語：微軟研究了一種量子算法，能夠提高磁共振成像的速度和精度。

智東西7月16日消息，近日，微軟與克利夫蘭凱斯西儲大學的科學家合作，他們專門研究一種稱為磁共振指紋（MRF）成像的技術，能夠把磁共振成像精度提高25%。

該公司表示，這一進展有一天可能會改善乳腺癌和其他疾病的治療方法。例如，它可能允許醫生在幾天內確定腫瘤是否在化療後萎縮，而不是等待數周或數月。

這一發展是最近一些研究人員使用為未來量子計算機設計的算法的案例之一，這些算法將改進在當今現有計算機上運行的計算。其他例子包括使用量子算法來找到管理整個電網負荷更好的方法、改善擁擠城市的行車路線和控製投資組合中的風險與回報。

在最新的案例中，微軟與克利夫蘭凱斯西儲大學的科學家合作，他們專門研究一種稱為磁共振指紋（MRF）成像的技術，就像更熟悉的磁共振成像（MRI），這種技術使用了強大的電子場和無線電波生成內部器官和軟組織的圖像。但是傳統的磁共振成像隻能識別光或暗的區域，而放射科醫生必須對這些區域進行主觀評估，磁共振指紋成像可以精確區分組織類型，從而獲得更詳細和可解釋的圖像。

凱斯西儲大學的MRF先驅Mark Griswold領導了這個項目，他喜歡用“試著聽唱詩班”這個比喻來形容MRF。例如身體的組織就像是歌手，使用傳統的MRI，就好像整個唱詩班都在唱同一首歌，而聽眾隻能確定一位歌手是否比其他歌手唱的更響亮或更柔和、更高或更低或者是否跑調；而使用MRF，就像聽每個歌手都唱自己獨特歌曲的合唱團一樣，聽眾能夠將合唱中的聲音與歌曲隔離開來並用它來識別歌手。

配置掃描器以找到特定的組織類型是非常耗時的。在微軟量子算法的幫助下，研究人員發現，他們可以在原來三分之一到六分之一的時間內完成掃描，同時掃描精度提高了25%以上。“精度的提高非常重要，因為它能讓我們看到組織中越來越小的變化。”

微軟一直在強調量子算法的潛力，部分原因是為其未來的量子計算機市場埋下種子。但它一直在強調自己的量子計算軟件而不是硬件，因為與一些競爭對手不同，盡管經過多年的發展，它還沒有任何值得炫耀的量子計算硬件產品。

據Mark Griswold說，使用MRF成像技術，關鍵在於如何準確調整掃描儀傳輸的無線脈衝的強度、頻率和角度。找到正確的脈衝模式是掃描儀能夠識別組織類型的關鍵。他說：“有一種數學上最理想的模式可以讓掃描儀隻拾取那種精確到單個細胞的組織類型，但由於它涉及的變量太多，以至於超出了傳統計算機的計算能力。”

“因此，研究人員幾乎完全依賴有根據的猜測（educated guesswork)來調整每次掃描的脈衝模式，即使使用這種不完美的方法，MRF仍會產生比MRI更詳細的圖像。”

Mark Griswold說，要想得到進一步的改善，就必須找到這種數學上的理想模式來代替人工直覺。但是，當他的團隊申請撥款研究如何使用傳統算法技術來優化MRF掃描時，該申請被拒絕了，理由是解決這樣一個數學上具有挑戰性的問題是根本不可能的。

然後Mark Griswold聽說微軟正與凱斯西儲大學醫療成像專家合作，測試其HoloLens增強現實眼鏡，並且正在尋找用量子算法創建類似演示案例的合作夥伴。Mark Griswold近20年來一直密切關注量子計算的發展，他意識到這可能是他的機會。

“我們喜歡看似不可能的問題，”從事MRF項目的微軟量子計算研究人員Matthias Troyer說到。更重要的是，MRF就是一個看似不可能的問題，一項優化已經存在的量子算法的挑戰。

不過，Matthias Troyer也說，現有的量子算法必須針對Mark Griswold的問題進行調整。“我們想強調的是，要想真正獲得量子優化器的全部功能，我們必須製定一個定製解決方案。”在這種情況下，最困難的部分是從構建MRF圖像所涉及的幾千個變量中找出算法應該嚐試優化的因子子集。一旦你這樣做，他說，“最初不可能的事情就會是可能的。”

他還說，即使在傳統計算機上運行量子算法也會顯著提高MRF掃描的速度和精度，但如果在足夠大的量子計算機上，結果會更加令人印象深刻。

但是Matthias Troyer所說的量子計算機需要一百萬個符合邏輯的量子比特，而這種規模的機器，即使不是幾十年，也要很多年才能問世。

量子計算機使用量子力學特性來表示和處理信息。在傳統的計算機中，信息比特（bits）的二進製格式處理，用0或1來表示。每個比特的值獨立於計算中使用的所有其他比特。在量子計算機中，使用量子比特（qubits）來表示信息。這些量子比特可以使用任何具有量子特性的現象（例如，電子的自旋或光子的極化）來創建。

與比特不同，量子比特可以同時表示0和1，或者在某些情況下表示0和1之間的任何值。更重要的是，每個量子比特的值會影響係統中其他量子比特的值，這就為幾乎瞬時的解決方案打開了大門，而不必以串行方式處理信息。理論上，這兩個因素使量子計算機具有比傳統計算機更大的優勢，因為每增加一個量子比特，它的功率增長不是線性的，而是指數級的。一台足夠大的量子計算機應該能夠做一些即使是當今最大的超級計算機也無法做到的事情，比如找到更節能的化肥生產工藝，或者打破保護世界大部分數據的加密係統。

量子計算機曾經是科幻小說的素材。但在2011年，加拿大公司D-Wave Systems首次推出商用量子計算機，即使當時這款機器隻適用於解決某些數學問題的子集合。從那時起，IBM、穀歌和總部位於加州伯克利的初創公司Righetti Computing都開始製造出更多通用量子計算機，客戶可以通過互聯網訪問這些計算機。與此同時，英特爾也已經推出了量子處理器，盡管這些還沒有提供給商業客戶。

到目前為止，這些量子計算機都還沒有一台強大到可以做傳統計算機做不到的事情，盡管人們相信穀歌可能已經接近跨越這個被稱為“量子霸權”（quantum supremacy）的門檻。即便如此，量子機器仍然太小，而且它們的計算太容易出錯，即使商用對大多數公司來說也沒什麼作用.

在過去的一年裏，阿裏巴巴宣布將建造一個量子處理器，亞馬遜悄悄地雇傭了一個量子計算專家團隊，表明它也可能在建造一台機器，而至少有六家初創公司也在研究量子硬件。

在微軟，首席執行官薩蒂亞納德拉（SatyaNadella）將量子計算描述為三種突破性技術之一，其他兩種是增強現實技術和人工智能技術，這些技術對公司的未來至關重要。在他的領導下，公司在量子計算上下了很大的力氣。先是從世界各地聘請了一支由物理學家、數學家、計算機科學家和工程師組成的團隊，又聘請了一位經驗豐富的工程主管，托德霍姆達爾（Todd Holmdahl），他曾是Xbox遊戲機和HoloLens混合現實頭顯的負責人。

該公司為其量子計算機的量子比特選擇了一種未經測試的架構，基於一種難以捉摸的亞原子粒子，物理學家們直到2017年才100%確定其存在。這些亞原子粒子能夠組成一條辮子（braid），與IBM、Google和Righetti使用的粒子相比，這種形狀使它們更穩定，更不易受到周圍電磁力的衝擊幹擾。在理論上錯誤率較低的情況下，微軟的設計應該更適用於商業應用。但是，首先，微軟必須證明它能夠可靠地製造出這些辮子，並用它們來形成量子比特，這是它還沒有做到的。

與此同時，微軟有一大批數學家和計算機科學家在研究量子計算機的編程方法。而且，事實證明，利用量子計算機的特殊屬性而開發的一些算法也適用於普通的計算機。

量子計算作為最近幾年興起的一種新技術，和增強現實技術與人工智能技術並列為三種最具突破性的技術之一。

微軟新發布的為未來量子計算機開發的算法，有效提高了醫用磁共振成像的速度和精度，速度提高六分之一至三分之一，精度提高25%以上，這對醫學發展無疑是一個好消息。

在量子計算的巨大潛力下，目前許多公司紛紛投身量子計算領域，研發量子計算機及相關軟件，雖然目前的量子計算還沒有突破人們的認知，但隨著該領域巨大的投入，未來量子計算或能夠取得更大的發展。