微軟豪賭“不存在的粒子”, Xbox締造者接手量子計算

過去數年中，科技巨頭穀歌和IBM已經在量子計算機研發領域開始行動，而相比之下一直比較沉寂的微軟公司也終於開始發力。

2016年11月，微軟官方網站刊文指出，其實這家傳統科技巨人已經潛心進行了十多年量子計算機的研發工作，是時候將研究成果付諸於實踐，並打造出屬於微軟的量子計算工程樣機了。而且其宣稱，經過十多年的積澱，這可能是一台能擊敗穀歌和IBM的量子計算原型機。

而微軟的量子計算機計劃的背後，正是當年負責 Xbox 和 Xbox360 主機的硬件開發項目的微軟資深副總裁 Todd Holmdahl。Xbox項目至今為止，每年仍可以為微軟帶來數十億美元的收入。

圖 | Todd Holmdahl，微軟的量子計算硬件和軟件研發項目負責人

去年年底，Todd 再次被委以重任。這一次，他將有機會將諾貝爾獎物理學獎的成果轉化成為產品，並將微軟真正帶入一個全新時代。在這個項目中，Todd帶領一個由數學家、物理學家和工程師組成的團隊，計劃將超強能力的量子計算添加到微軟雲計算服務中。

與穀歌和 IBM 使用超導導線環作為量子比特不同，微軟的底牌是“拓撲量子比特”。 “拓撲量子計算”是基於三位物理學家對隻能存在於二維世界的物體的研究成果，該成果曾獲得了 2016 年諾貝爾物理學獎。

微軟量子計算計劃的核心是基於一種被稱為“任意子”（anyons）的粒子，這種粒子隻能存在於二維空間。無疑，任意子的奇異物理特性被微軟所看好。

圖 | 辮子數學理論或將成為未來拓撲量子計算機的基礎

“在我眼裏，量子計算是一項新的業務，而非理論物理或基礎研發”，Todd 充滿信心的表示。“我個人的好勝心很強，而且我個人一直負責公司的產品研發。什麼樣的技術最後能成為產品，我有比較清晰的思路。”

對量子計算的競爭現狀稍有了解的人，就會明白他的這番話的所包含的深意：穀歌、IBM甚至另外的一些初創公司已經打造出了各自的量子計算機硬件，並實現了數據運算，但微軟看上去一直進展緩慢。

眾所周知，量子計算機是由量子比特構成的。量子比特存儲數據，基於微尺度下的物理特性可以實現宏觀尺度下所不可能做到的事情：比如，量子計算機可以幾秒鍾解決傳統計算機幾百年都解決不了的問題。

因此，從去年開始，科技公司和投資者們投入了大量的資金開始該領域的密集研發。他們希望利用量子計算機來增強機器學習能力，甚至將量子計算機用於解決化學、生物學及材料科學的相關問題。

目前，最先進的量子比特是基於超導金屬電路或被困在磁阱中的金屬離子實現的。問題是，雖然量子比特可由多種方法來製備，但由於量子態的極度不穩定，目前的量子比特都太容易受到外界幹擾。

本月，IBM宣布研發出現有量子比特數最多的芯片——17量子比特芯片。但如果要將量子計算機付諸實用，還需要成百上千個類似的裝置才行，而這些裝置的穩定性問題一直沒有好的解決方案。

圖 | IBM發布17量子比特芯片

然而，Todd Holmdahl 帶領的微軟團隊采取了一種全新的方式，即操控亞原子粒子，來實現量子計算機。這種名叫馬約拉納費米子（Majorana fermion）的粒子，物理學界還沒有百分之百的確定是否被觀測到。

這種粒子得名於預測其存在的意大利物理學家Ernesto Majorana。這位物理學傳奇人物的經曆和不穩定的量子比特頗為相似：1938年，他帶著所有的銀行存款，搭乘一艘渡船，然後從此消失不見。

圖 | 消失的粒子物理學家 Ernesto Majorana

微軟在這種難以製備的量子比特上下了很大的賭注，因為這種基於馬約拉納費米子的量子比特具有可靠性高的特性，從工程學上看，容易實現擴展和量產。同時，這種量子比特是一種拓普量子比特，而根據拓撲量子計算理論，在足以清除傳統量子比特信息的外界擾動中，拓撲量子比特依然可以保持其可靠性。

2016 年底，在 Todd Holmdahl 接手領導微軟量子計算機計劃的同時，另外兩位傑出的實驗物理學家也加入了攻關團隊，而這兩位科學家正試圖確定馬約拉納費米子的存在。他們分別是丹麥哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所教授、量子設備中心主任Charlie Marcus，以及荷蘭代爾夫特理工大學教授、量子技術高級研究中心（QuTech）創始主任Leo Kouwenhoven。

圖 | Charlie Marcus（左）和Leo Kouwenhoven（右）在2014年微軟加州聖芭芭拉StationQ大會上的合影

兩位科學家仍將保留大學的學術職務，並繼續各自的課題研究，同時參與微軟在這兩所大學建立專門量子實驗室的工作，獲得微軟的資金、設備和工程師團隊的支持。

Kouwenhoven教授已經在精密設計的半導體納米導線末端，實現了最有可能的馬約拉納費米子觀測。目前，他和來自微軟的其他物理學家正在構建另一種可以經得起檢驗和操作的粒子，該粒子可能成為第一個可工作的量子比特。跟之前不同的是，這一次Kouwenhoven並沒有使用納米導線，而是依靠在半導體材料上生長薄片來實現。

圖 | 哥本哈根大學教授Charlie Marcus的實驗室所製造的量子計算機硬件

微軟團隊表示，這種方法與現有電子製造工藝是高度相匹配的，可以說已經從工程方麵解決了量子比特的製備問題。所以說，如果微軟可以構建出第一個拓撲量子比特，那麼微軟就可以一下超過目前那些基於複雜工藝來製備量子比特的競爭對手。“在從幾個量子比特擴展到數千個量子比特方麵，我們有明確的計劃。” Holmdahl說。

在西雅圖的總部，微軟還有一個研發如何使用量子比特的團隊。該團隊其中的一個任務就是明確在機器學習和化學模擬等實際應用中所需要量子比特的數目。該團隊的領導Krysta Svore表示，她的團隊已經掌握了一種方法，能降低執行一項關鍵量子算法所需的量子比特數。“這將意味著在有限量子比特的前提下，人們或許馬上就可以運行大型算法了。”Svore表示。

圖 | Krysta Svore表示已成功降低了執行某項關鍵量子算法所需的量子比特數

微軟將其研究成果公開的發表出來以推動這個領域的進步。這也是來自德克薩斯大學奧斯丁分校的教授 Scott Aaronson 支持微軟這項計劃的原因，雖然他還不確定該計劃是否能成功。

“微軟這是在豪賭，”Aaronson說，“拓普量子計算機超越超導量子計算機、離子阱量子計算機的可能性的確存在。但可以確定的是，超導和離子阱量子計算機目前的進展已經大大領先於其他方式。”

在被問到什麼時候微軟可以構建其首台基於拓撲量子比特的計算機，以打破量子計算現有競爭格局的時，Todd Holmdahl一開始拒絕回答。但在不斷的追問下，他半開玩笑的說：“我現在已經52歲了，離退休也不遠了，我認為將會在我退休之前實現。”

以下視頻是微軟官方製作的量子計算宣傳片，淺顯易懂，推薦觀看：

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