不亚于谷歌量子霸权 微软的拓扑量子位即将实现

近日谷歌在《自然》（Nature）杂志上发表了震惊科技圈的论文，声称他们的量子计算机“Sycamore”已经取得了量子霸权（quantum supremacy），能在短短 3 分 20 秒内完成一项验证大数字随机性的任务。这意味着行业正朝着超强计算机迈出重要一步，也进一步证明利用量子力学规则确实能够解决当前经典计算机无法处理的复杂难题。

而在这场量子计算的巨头竞争中，微软另辟蹊径，希望通过重新设计量子计算的核心元素--量子位（qubit）来突破现有的桎梏。事实上，微软一直在研究名为“拓扑量子位”（topological qubit）的技术，希望为量子计算机夯实基础。微软量子计算软件部门总经理 Krysta Svore 说，在花了五年时间弄清拓扑量子位的复杂硬件之后，公司几乎准备好使用它们。

本周四开幕的 IEEE International Conference on Rebooting Computing 大会上，Svore 表示：“我们已经花费了数年时间来开发这项技术，我坚信我们已经非常接近实现这一目标。”

在理论物理学家 Richard Feynman 提出量子计算概念的 50 多年后，量子理论正一步步走进现实。为驾驭规模化量子计算机而专门优化的新的编程语言，让开发者能够编写量子程序，在当前的量子模拟器上调试，并能够在未来真正的拓扑量子计算机上运行，微软开发了拓扑量子位。

研究人员表示，量子计算最终将被用来解决全球社会面临的最棘手的问题——从饥饿到气候变化。Krysta Svore 表示：“量子计算机能够对自然进行建模，而通过经典计算机，我们并不能真正了解这些流程。”专家认为，拓扑量子计算机最早的用途之一就是帮助人工智能研究人员利用机器学习，加快训练算法的劳动密集型流程。

多年来物理学家一直在谈论开发量子计算机的可能性，努力开发一个拥有足够高精确度的有效量子位，以便在开发真正可行的量子计算机中发挥作用。对于那些仅使用最低精确度的物理量子位的研究人员来说，大约需要 1000 个物理量子位才能组成一个“逻辑”量子位，这种量子位非常可靠，足以用于任何真正有用的计算。

问题在于，量子位非常挑剔。即便是最轻微的扰乱，它们也会“散开”，用外行话来说，就是它们不再是可用于计算的物理状态。因此微软引入了拓扑量子位概念，使其更加稳定，且能提供更多固有的防错能力。根据定义，物质的拓扑状态就是电子可被分解、并出现在系统不同地方的状态。一旦电子被分解，就很难被干扰，因为你必须改变所有存储在不同地方的信息。

Krysta Svore，在微软负责基于量子计算机及量子模拟器运行的软件开发工作。

为了创建完整的计算平台基础设施，微软还同步开发用于拓扑量子计算的构建块、软件和编程语言。即使拓扑量子位预计比一般的量子位更强健，但它还是相当脆弱。保护它免受外界干扰的唯一方法就是把它放在非常非常寒冷的地方。

微软量子计算部门架构师 Douglas Carmean 带领的团队致力于开发一个让量子位能够在近乎绝对零度（或 30 毫开尔文）条件下运行的系统架构。这是地球上最寒冷的地方，甚至比宇宙深空还要寒冷，但它能让在室温中工作的人和计算机进行通信。

Svore 说，微软拓扑量子位的主要优点是制作一个逻辑量子位所需的物理量子位更少。她说：“我们相信这会大大减少管理费用。”这意味着量子计算机将以更少的量子位运行，且运行效果更佳。

作为比较，谷歌的 Sycamore 量子计算芯片使用了 53 个物理量子位。而真正严谨的量子计算任务中，研究人员希望达到至少 100 万量子位水平。不过摆在微软面前的难题是尚不可用。要真正投入使用还需要一段时间的继续开发。