微軟用 12 年的時間讓量子計算走進現實

【丹棱君有話說：1982 年，諾貝爾獎獲得者、美國傑出理論物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）首次提出量子計算的概念；2017 年，微軟在 Ignite大會上，展示了在開發拓撲量子位以及硬件軟件生態係統方麵所取得的突破性進展。量子計算，用了 55 年的時間，從理論走近現實，而微軟為此潛心耕耘了 12 年。12 年前微軟在量子計算領域進行了怎樣的布局？是什麼讓微軟有了今天的量子計算技術上的收獲？未來，量子計算又將如何改變我們的世界？請隨丹棱君一起乘坐時光機從起點說起……】

二十年前，當 Michael Freedman 加盟微軟的理論研究團隊時，他是一位著名的數學天才，他所研究的數學前沿領域被稱作拓撲學。

他的工作職責就是繼續研究數學，沒有任何附加條件。

正是在這種開放的工作環境下，微軟開發出首個拓撲量子位。微軟認為強大的量子位將成為可擴展、通用量子計算係統的基礎，這將是量子物理學領域一次意義深遠的突破。

微軟負責量子研究的副總裁 Todd Holmdahl 表示：“我們為一項革命性的新技術奠定了基礎，我非常激動。”

在 2017年 9 月 25 日舉辦的微軟 Ignite 大會上，微軟展示了拓撲量子位以及硬件軟件生態係統開發方麵取得的進展，這些技術將讓更多開發者充分利用量子計算的力量。

這些進展包括一種與 Visual Studio 深度集成，同時適用於量子模擬器和量子計算機的新型編程語言。

Michael Freedman （由 Brian Smale 拍攝）

微軟構建量子計算生態係統的計劃基於 Freedman 的數學研究領域，以及一個看似神秘的物理學分支——早期研究者曾援引哲學和靈性概念描述它，後來的門徒在上世紀 70 年代獲得了資助和支持。即使在現在，專家也用“神奇狀態”來描述量子計算理論和實踐中的一些元素。

雖然量子計算讓人聯想到神秘事物，但是專家認為量子計算有很多實用的好處，因為它能讓科學家在幾分鍾、幾小時內，完成目前最先進經典計算機用幾十億年才能完成的計算，而這意味著人們可以解答之前無解的科學難題。

研究人員表示，量子計算最終將被用來解決全球社會麵臨的最棘手的問題——從饑餓到氣候變化。

Krysta Svore 在微軟負責基於量子計算機及量子模擬器上運行的軟件開發工作，量子模擬器能讓開發人員在實體機器尚未問世的情況下進行開發工作。她說：“量子計算機能夠對自然進行建模，而通過經典計算機，我們並不能真正了解這些流程。”

專家認為，拓撲量子計算機最早的用途之一就是幫助人工智能研究人員利用機器學習，加快訓練算法的勞動密集型流程。

微軟首席研究與戰略官 Craig Mundie

微軟首席研究與戰略官 Craig Mundie 在 12 年前第一個支持 Freedman 進一步研究量子計算。他強調，如果量子計算能夠把 Cortana 數字助理算法訓練的時間從一個月縮短到一天，這將是人工智能發展的重大進步。Mundie 說：“即使其它保持不變，Cortana 的速度也會提高 30 倍。”他將繼續深入參與該項目。

對於 Freedman 來說，看到畢生研究的理論數學模型變成一個能夠解決之前無解問題的真正計算平台，確實“非常激動”。他的大部分職業生涯都在沒有任何附加條件地探索理論數學（或者更具體地說，就是拓撲節理論），從某種程度上，這引領他完成了心目中人生第一份真正的工作——構建拓撲量子位。

Freedman 說，他很少思考自己的工作可能會產生哪些改變生活的影響。他說：“許多人問我是什麼激勵著我？是想要治愈疾病、設計新材料、保護環境？事實上，跟這些都無關。目前在這個項目中，我唯一關心的就是讓量子計算機運行起來。”

Freedman 所麵臨的一個挑戰是：微軟不隻對開發可在實驗室展示的量子計算機感興趣，還啟動了完整的拓撲量子計算係統的交付計劃，包括從能夠持續運行需要數萬個量子位計算的硬件，到可以編程並控製量子計算機的完整軟件棧。

把測量線連接到一台量子設備上

微軟負責量子研究的副總裁 Todd Holmdahl 表示：“我們在做各種工作，從物理到控製麵板，到運行計算機的軟件，到有趣的事情（例如量子化學）所需的算法，再到個性化醫療和應對氣候挑戰。”微軟甚至有一個專注於後量子世界密碼學和安全性研究的項目，並且正和整個行業一起準備量子抵抗密碼算法。

但微軟研究的核心是拓撲量子位。

12 年前，當 Freedman 找到微軟首席研究與戰略官 Craig Mundie，想讓他支持自己的量子計算理念時， Mundie 說，量子計算有些低迷。

多年來物理學家一直在談論開發量子計算機的可能性，努力開發一個擁有足夠高精確度的有效量子位，以便在開發真正可行的量子計算機中發揮作用。對於那些僅使用最低精確度的物理量子位的研究人員來說，大約需要 1000 個物理量子位才能組成一個“邏輯”量子位，這種量子位非常可靠，足以用於任何真正有用的計算。問題在於，量子位非常挑剔。即便是最輕微的擾亂，它們也會“散開”，用外行話來說，就是它們不再是可用於計算的物理狀態。

Freedman 表達了他一直以來探索的量子位理念，即拓撲量子位會變得更加穩健。因為它們的拓撲性質會使其更加穩定，且能提供更多固有的防錯能力。根據定義，物質的拓撲狀態就是電子可被分解、並出現在係統不同地方的狀態。一旦電子被分解，就很難被幹擾，因為你必須改變所有存儲在不同地方的信息。

作為一位資深超級計算機設計師和軟件工程師，Mundie 立即表示他接受了量子位的理念。因為量子位更強健，並且也有內置容錯功能。它將使設計一台可擴展、有用設備的任務變得更容易。他說：“計算本身已經改變了社會和經濟的方方麵麵，我意識到，如果創造出能夠改變這些基本構建塊的新型計算，就能夠完成過去五六十年才能完成的計算。”

在 Mundie 的支持下，Freedman 在加州聖巴巴拉建立了一個實驗室，並開始招募全球最傑出的凝聚態物質和理論物理學家、材料學家、數學家和計算機科學家，一起構建拓撲量子位。這個團隊現在擁有許多著名的量子專家，過去幾年，他們以員工身份加入微軟，包括 Leo Kouwenhoven，Charles Marcus，David Reilly 和 Matthias Troyer 。

為了創建完整的計算平台基礎設施，微軟還同步開發用於拓撲量子計算的構建塊、軟件和編程語言。

Krysta Svore，在微軟負責基於量子計算機及量子模擬器運行的軟件開發工作。

在 Ignite 大會上，微軟宣布了開發完整堆棧的最新裏程碑——一種專為開發者設計的新的編程語言，能夠開發應用軟件，在當前的量子模擬器上調試，並能夠在未來真正的拓撲量子計算機上運行。

Svore 表示：“目前在模擬器中運行的代碼，未來也可以運行在我們的量子計算機上。”這些新的工具是專為那些計算機技術前沿的開發者而設計的，他們也是機器學習以及其它人工智能技術的早期采用者。即使不是量子物理學家，也可以使用。

新的編程語言與 Visual Studio 深度集成，包括進行經典計算（例如調試和自動完成）所依賴的各種工具。Svore 說：“它不應與他們已經在做的東西有太大差別。”

這套工具將在年底前提供免費預覽版，函數庫和教程，以便開發人員熟悉量子計算。它的設計便於更高的層次上的抽象工作，沒有量子計算專業知識的開發者也能真正調用量子子程序，或者寫指令序列，最終編寫一個完整的量子程序。開發人員即日起可注冊參與微軟量子計算社區。

個人用戶在可以模擬最多需要 30 個邏輯量子位能力的問題，而使用 Azure 的企業客戶可以模擬超過 40 個量子位的計算能力。

在量子計算中，功率隨著邏輯量子位數量的增加呈指數增長。一個邏輯量子位就是算法層麵上的量子位。每個邏輯量子位在硬件中都由一係列物理量子位來表示，以保護邏輯信息。微軟的方法是通過更少的拓撲量子位開發一個邏輯量子位，使其更容易擴展。

Svore 表示，擁有一種能在模擬環境中使用的編程語言的關鍵優勢在於：它能幫助那些有興趣使用量子計算機的人解決問題，更好地了解如何利用量子的能力解決不同類型的問題。一旦量子計算可用，將加快利用量子計算的能力。

即使拓撲量子位預計比一般的量子位更強健，但它還是相當脆弱。保護它免受外界幹擾的唯一方法就是把它放在非常非常寒冷的地方。

微軟量子計算部門架構師 Douglas Carmean 帶領的團隊致力於開發一個讓量子位能夠在近乎絕對零度（或 30 毫開爾文）條件下運行的係統架構。這是地球上最寒冷的地方，甚至比宇宙深空還要寒冷，但它能讓在室溫中工作的人和計算機進行通信。

量子位，必須在非常寒冷的溫度下創建並運行。研究人員使用一個稀釋冰箱，把量子設備插入一個“冰球中”，

研究人員也許通過一個量子位在一個完美的實驗室中取得進展，但 Carmean 希望創建一個讓程序員使用的能計算數萬個邏輯量子位的係統。他說：“我的工作職責就是把理論學家和實驗學家展示過的東西再做一次，然後在有用的形式中複製數百萬次。”

量子計算專家往往會強調兩件事，一是，他們看到的拓撲量子位最好的使用案例就是開發更好的量子計算技術；二是，這種工作的最大的樂趣就是你無法預測它會產生哪些難以置信的進步。

12 年前，Mundie 第一次支持 Freedman 的研究工作，當時他就預見——到某一階段，量子理論將轉化成工程。

在 Richard Feynman 提出量子計算理念的 50 多年後，Mundie 正展望量子經濟。他相信，這種新型計算將創造一種經濟形態。就像經典計算改變了社會的方方麵麵一樣，他認為量子計算最終將給萬物帶來革命性的改變，這種改變開始於化學、材料和機器學習。

Mundie 說：“70 年來，第一次我們想要構建一個完全不同的計算係統。這不是一次增量升級或改進，而是一個性質完全不同的新事物。”

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