谷歌要量子霸权？微软有望凭100个拓扑量子比特计算机反超

这是打造“通用型”量子计算机的竞赛，而微软有望借助“天使粒子”实现“弯道超车”。

在IBM、谷歌、英特尔等公司纷纷宣布最新进展，为实现“量子霸权”摩拳擦掌时，不走寻常路的微软在2018年的Build大会（微软全球开发者大会）上宣布：微软能够在五年内造出第一台拥有100个拓扑量子比特（Topological qubit）的量子计算机，计算力相当于1000个逻辑量子比特（logical qubit），并且将其整合到自己的人工智能云平台Azure当中。

这意味着5年之后，微软已经可以用量子计算机解决实际问题了。

另辟蹊径的研究路径：拓扑量子计算机

传统计算机使用的运算规则是二进制，用0和1记录信息状态。但量子计算机则由量子状态来描述信息，根据量子的特性它可以同时表示多种状态，并同时进行叠加运算，因而拥有更快速的运算方式。

基于这样的特性，量子计算可以通过编程，快速解决传统计算机难以解决的问题。举个例子，某天，你被要求5分钟内在图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母“X”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行世界中，每个你，都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个世界中找到这个“X”。

在这个假设中，传统计算机就像现在的你，手足无措，绝望地在5分钟试图遍尽所有的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个，每个人只需翻找一本书即可。

目前，包括谷歌、IBM、英特尔、微软等在内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计算机。

谷歌、IBM、英特尔，选择了相对成熟的硬件来研发量子计算，比如超导导线环（loops of superconducting wire），来制作量子比特（qubit）。它们具有在同一时间保持在开和关两种状态的混合或叠加态的能力，能驱动量子计算机做快速计算。

相比之下，微软另辟蹊径，走了一条更曲折的路线：希望能以一种准粒子（quasiparticle）的状态编码量子比特——一种从物质的相互作用中出现的粒子状物体（object）。

拓扑量子比特的示意图

不过，这个想法太超前，对于微软想实现量子比特的这种物质，许多科学家甚至都不确定是否存在。

到目前为止，微软并不像其他几家巨头，能时常宣布最新进展，事实上，微软到目前为止甚至连一个量子比特都未完成。但微软对自己选择的路径充满信心。

微软研究量子结构和计算组成员Alex Bocharov曾在接受《自然》杂志采访时称，在大多数量子系统中，信息被编码到粒子的属性中，与周围环境最轻微的相互作用都会破坏它们的量子态。这意味着他们的操作精确度可能达到了99.9%，但在解决现实问题上，我们需要的精确度水平是99.99999999%，所以你需要创造出一个大型阵列的量子比特，能让你来修正这些误差。拓扑量子计算有达到99.9999%或99.99999%的潜力，这意味着我们不再需要做大量昂贵的误差校正了。

微软在量子计算机领域里十几年的坚持，在今年得到了回报。3月29日，微软研究人员在《自然》杂志上发布最新论文，宣布其量子计算取得重大突破：他们发现“天使粒子”——马约拉纳费米子存在的有力证据：在特殊制备的导线中，将电子分为两半。如果微软希望建造一台能工作的量子计算机，这将是至关重要的。

对于这个突破，微软量子计算业务发展总监Julie Love在接受媒体采访时说：“我们的一个量子比特将会有1000个、甚至10000个嘈杂的量子比特那样强大。”

微软量子计算机的优势

微软量子计算研究团队的自信并无道理。

首先，如果一家公司想要要制备出能真正运行的量子计算，仍需要解决一个重要问题。因为在处理量子状态时，它们在一种名为相干性（Coherence time，相干时间，就是信道保持恒定的最大时间差范围）的过程中往往存在一段很短的时间。这意味着，量子比特回到0和1经典的计算状态之前，研究员只有一个短暂的时间窗口。在上个世纪90年代末期，研究人员只有短短几纳秒（1秒= 1000000微秒，1微秒= 1000纳秒）的时间可以关注相干性。

由于微软采用的是“拓扑量子比特”进行计算，而不是普通的“逻辑量子比特”。拓扑量子比特的特点就在于，它是通过基本粒子的拓扑位置和拓扑运动来处理信息的。无论外界的干扰怎么蹂躏它的运动路径，只要它还是连续变化，从拓扑角度来看，都是一样的。

形象地说，如果你有一块某种形状的橡皮泥，在不撕裂和重新粘合的情况下，随便你怎么捏、挤、搓、拉，只要最后能从形状A变成形状B，那么在拓扑数学来看，A和B就是同一个东西。

三组拓扑等价的物体

这样一来，用拓扑量子比特进行计算，对于外界的干扰有极强的容错能力。基于拓扑量子比特的计算机就可以把规模做得很大，能力做得很强。

微软的第二个优势来自自身的人工智能云计算平台——Azure。今年微软开发者大会的核心主题就 是如何将微软关于智能云计算与智能边缘计算的愿景转化为现实。其中，Azure是实现这一愿景的关键，这是微软为实现智能而打造的云平台，它融入了微软在人工智能领域的全部投入与技术积累。

按照微软副总裁、量子计算部门的负责人托德·霍尔姆戴尔（Todd Holmdahl）在这次微软大会上的设想，5年之后，微软的量子计算机可以加入到Azure之中，那就意味着全世界的Azure用户都有机会使用这台量子计算机解决问题。届时，Azure很有可能成为最大的量子计算平台。

微软副总裁、量子计算部门的负责人 Todd Holmdahl

微软的第三个优势在于整合开发工具。尽管量子计算机还未实现，但凭借一贯强大的开发和编程，微软在量子计算开发工具上已经有所进展。

2017年，微软已经推出了Q#量子计算编程语言，并集成到Visual Studio当中。与此同时，微软也提供了本地和云上的量子计算机模拟器，可以让开发者能提前尝鲜，在经典的计算机体系结构上尝试量子计算，或者通过Azure云计算服务测试。