微软通过量子计算工具包为下一代计算机发挥作用

在昨天的Ignite会议上，微软公布了其计划中的下一个重大任务：量子计算。今年晚些时候，微软将发布一款新的量子计算编程语言，以及完整的Visual Studio集成以及量子计算模拟器。通过这些，开发人员将能够开发和调试实施量子算法的量子程序。

量子计算使用诸如叠加和纠缠之类的量子特征来执行计算。在传统数字计算机由比特形成的情况下，每一位表示一个或零个量子计算机由一些量子位（量子比特）构成。Qubits在某种意义上代表了一个和零个同时（1和0的量子叠加）。量子位表示多个值的这种能力使得量子计算机比传统计算机具有更大的计算能力。

传统的计算机是由逻辑门组成的晶体管组合，以各种方式组合使用它们来执行操作，但这种构造在很大程度上对于为他们编写程序是不可见的。程序和算法不是用逻辑门写的，他们使用更高级的结构，从算术到函数到对象等等。量子算法也不是这样，迄今为止开发的量子算法在某些方面比软件开发人员更熟悉电子工程师，算法通常表示为量子电路 ，量子逻辑门的布置，量子位流通过量子比特流程而不是更典型的编程语言概念。

Microsoft的量子编程语言（尚未命名）提供了一个更加贴切的条件，编程量子计算机借用C＃，Python和F＃中的元素。开发人员仍然需要使用和理解量子逻辑门及其操作，但是他们可以使用它们来编写函数，使用变量和分支以及其他典型的结构。作为一个例子，提供了执行量子传送的程序，用于量子计算：

这段代码有一些功能，EPR并且Teleport连同第三个函数TeleportTest一起测试该Teleport函数的工作原理。使用生成具有相同概率为1或0的量子比特的Hadamard gateEPR创建一个纠缠的量子比特的EPR对H，以及一个被控制的非门，它们使两个量子位形成EPR对。该Teleport功能使两个量子位相交，然后测量（和M）其中一个的值。测量强制量子位采用特定值而不是叠加的两个值。

该语言集成到Visual Studio中。这意味着不仅支持颜色编码，还支持其他Visual Studio功能，如调试。当然，调试程序意味着你必须能够运行它们。微软也将发布两个版本的量子模拟器。一个版本将在本地运行; 另一个版本将在Azure上运行。模拟器将能够运行量子程序，并提供与传统的Visual Studio调试体验相当的功能，以便算法在运行时被检查。

它将具有相当大的内存要求。本地版本最多可以提供32个量子位，但这样做将需要32GB的RAM。每个额外的量子位使所需的内存量增加一倍。Azure版本将扩展到40个量子位。

长期来看，当然就是在真正的量子计算机上运行。但是，微软没有一个，但该公司正在研究拓扑量子位的发展。这些是有吸引力的，因为它们有助于解决量子计算机面临的一致困难。量子态是微妙的，量子噪声将误差引入到计算中。额外的量子位可以添加到算法中，以纠正这种噪声。额外量子位的数量根据算法和使用的量子机的种类而有所不同; 原则上，拓扑量子位将需要比其他量子计算机设计更少的纠错量子位。

所需量子位数量的减少是有价值的，因为目前的原型量子计算机远远小于做有用工作所需的尺寸。所需的量子位数取决于应用和领域。微软正在设想从量子化学到材料科学到医学发展或气候变化研究的广泛应用。在化学应用中，可以使用几百个量子位，例如帮助开发固氮用催化剂。则材料科学应用需要几千个。

但是，与已经建成的量子计算机相比，这些数字是巨大的。例如，去年，IBM提供访问量子位计算机。微软的希望是，拓扑量子位提供的更大的错误保护将最终使得更容易构建足够大的实际工作的量子计算机。

如果设法建立一个大型的量子计算机。某种加密获得他们的安全性，因为整数因式分解，将数字分解成较小的数字，当相乘时产生原始数字，被认为对于传统计算机来说是困难的。RSA加密使用大的整数（2048或4096比特），通常是通过将两个大素数相乘而产生的，RSA从这个乘法在某种意义上是“不可逆的”获得其强度。鉴于这两个素数的产物，很难弄清楚素数是多少。另一种加密方式，Diffe-Hellman具有类似的属性; 数学问题略有不同（称为离散对数），但同样的概念也适用; 传统电脑没有一个很好的算法。

但是，我们对量子计算机有一个很好的算法。我们需要更大的量子计算机，因素分解一个数字，n 位需要大约2n个量子位，所以我们说的是像4000到8000个量子位，以打破今天的通用加密，但如果开发了用于构建数千个量子位的量子计算机的技术，这些加密算法将变得极其脆弱。

随着开发量子计算机和量子程序的工作，微软也在研究所谓的量子阻抗加密算法。这些算法在运行在传统计算机上，即使在具有大量子计算机的世界中仍然保持安全。开发，验证和广泛部署的这些算法将需要很多年。

幸运的是，量子计算的未来是不可估量的。现在微软正在为今天的量子预览做准备。预览与模拟器和编程语言将在年底前发布。它还将包括教程和库，以帮助开发人员熟悉量子计算。