微软豪赌“不存在的粒子”, Xbox缔造者接手量子计算

过去数年中，科技巨头谷歌和IBM已经在量子计算机研发领域开始行动，而相比之下一直比较沉寂的微软公司也终于开始发力。

2016年11月，微软官方网站刊文指出，其实这家传统科技巨人已经潜心进行了十多年量子计算机的研发工作，是时候将研究成果付诸于实践，并打造出属于微软的量子计算工程样机了。而且其宣称，经过十多年的积淀，这可能是一台能击败谷歌和IBM的量子计算原型机。

而微软的量子计算机计划的背后，正是当年负责 Xbox 和 Xbox360 主机的硬件开发项目的微软资深副总裁 Todd Holmdahl。Xbox项目至今为止，每年仍可以为微软带来数十亿美元的收入。

图 | Todd Holmdahl，微软的量子计算硬件和软件研发项目负责人

去年年底，Todd 再次被委以重任。这一次，他将有机会将诺贝尔奖物理学奖的成果转化成为产品，并将微软真正带入一个全新时代。在这个项目中，Todd带领一个由数学家、物理学家和工程师组成的团队，计划将超强能力的量子计算添加到微软云计算服务中。

与谷歌和 IBM 使用超导导线环作为量子比特不同，微软的底牌是“拓扑量子比特”。 “拓扑量子计算”是基于三位物理学家对只能存在于二维世界的物体的研究成果，该成果曾获得了 2016 年诺贝尔物理学奖。

微软量子计算计划的核心是基于一种被称为“任意子”（anyons）的粒子，这种粒子只能存在于二维空间。无疑，任意子的奇异物理特性被微软所看好。

图 | 辫子数学理论或将成为未来拓扑量子计算机的基础

“在我眼里，量子计算是一项新的业务，而非理论物理或基础研发”，Todd 充满信心的表示。“我个人的好胜心很强，而且我个人一直负责公司的产品研发。什么样的技术最后能成为产品，我有比较清晰的思路。”

对量子计算的竞争现状稍有了解的人，就会明白他的这番话的所包含的深意：谷歌、IBM甚至另外的一些初创公司已经打造出了各自的量子计算机硬件，并实现了数据运算，但微软看上去一直进展缓慢。

众所周知，量子计算机是由量子比特构成的。量子比特存储数据，基于微尺度下的物理特性可以实现宏观尺度下所不可能做到的事情：比如，量子计算机可以几秒钟解决传统计算机几百年都解决不了的问题。

因此，从去年开始，科技公司和投资者们投入了大量的资金开始该领域的密集研发。他们希望利用量子计算机来增强机器学习能力，甚至将量子计算机用于解决化学、生物学及材料科学的相关问题。

目前，最先进的量子比特是基于超导金属电路或被困在磁阱中的金属离子实现的。问题是，虽然量子比特可由多种方法来制备，但由于量子态的极度不稳定，目前的量子比特都太容易受到外界干扰。

本月，IBM宣布研发出现有量子比特数最多的芯片——17量子比特芯片。但如果要将量子计算机付诸实用，还需要成百上千个类似的装置才行，而这些装置的稳定性问题一直没有好的解决方案。

图 | IBM发布17量子比特芯片

然而，Todd Holmdahl 带领的微软团队采取了一种全新的方式，即操控亚原子粒子，来实现量子计算机。这种名叫马约拉纳费米子（Majorana fermion）的粒子，物理学界还没有百分之百的确定是否被观测到。

这种粒子得名于预测其存在的意大利物理学家Ernesto Majorana。这位物理学传奇人物的经历和不稳定的量子比特颇为相似：1938年，他带着所有的银行存款，搭乘一艘渡船，然后从此消失不见。

图 | 消失的粒子物理学家 Ernesto Majorana

微软在这种难以制备的量子比特上下了很大的赌注，因为这种基于马约拉纳费米子的量子比特具有可靠性高的特性，从工程学上看，容易实现扩展和量产。同时，这种量子比特是一种拓普量子比特，而根据拓扑量子计算理论，在足以清除传统量子比特信息的外界扰动中，拓扑量子比特依然可以保持其可靠性。

2016 年底，在 Todd Holmdahl 接手领导微软量子计算机计划的同时，另外两位杰出的实验物理学家也加入了攻关团队，而这两位科学家正试图确定马约拉纳费米子的存在。他们分别是丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所教授、量子设备中心主任Charlie Marcus，以及荷兰代尔夫特理工大学教授、量子技术高级研究中心（QuTech）创始主任Leo Kouwenhoven。

图 | Charlie Marcus（左）和Leo Kouwenhoven（右）在2014年微软加州圣芭芭拉StationQ大会上的合影

两位科学家仍将保留大学的学术职务，并继续各自的课题研究，同时参与微软在这两所大学建立专门量子实验室的工作，获得微软的资金、设备和工程师团队的支持。

Kouwenhoven教授已经在精密设计的半导体纳米导线末端，实现了最有可能的马约拉纳费米子观测。目前，他和来自微软的其他物理学家正在构建另一种可以经得起检验和操作的粒子，该粒子可能成为第一个可工作的量子比特。跟之前不同的是，这一次Kouwenhoven并没有使用纳米导线，而是依靠在半导体材料上生长薄片来实现。

图 | 哥本哈根大学教授Charlie Marcus的实验室所制造的量子计算机硬件

微软团队表示，这种方法与现有电子制造工艺是高度相匹配的，可以说已经从工程方面解决了量子比特的制备问题。所以说，如果微软可以构建出第一个拓扑量子比特，那么微软就可以一下超过目前那些基于复杂工艺来制备量子比特的竞争对手。“在从几个量子比特扩展到数千个量子比特方面，我们有明确的计划。” Holmdahl说。

在西雅图的总部，微软还有一个研发如何使用量子比特的团队。该团队其中的一个任务就是明确在机器学习和化学模拟等实际应用中所需要量子比特的数目。该团队的领导Krysta Svore表示，她的团队已经掌握了一种方法，能降低执行一项关键量子算法所需的量子比特数。“这将意味着在有限量子比特的前提下，人们或许马上就可以运行大型算法了。”Svore表示。

图 | Krysta Svore表示已成功降低了执行某项关键量子算法所需的量子比特数

微软将其研究成果公开的发表出来以推动这个领域的进步。这也是来自德克萨斯大学奥斯丁分校的教授 Scott Aaronson 支持微软这项计划的原因，虽然他还不确定该计划是否能成功。

“微软这是在豪赌，”Aaronson说，“拓普量子计算机超越超导量子计算机、离子阱量子计算机的可能性的确存在。但可以确定的是，超导和离子阱量子计算机目前的进展已经大大领先于其他方式。”

在被问到什么时候微软可以构建其首台基于拓扑量子比特的计算机，以打破量子计算现有竞争格局的时，Todd Holmdahl一开始拒绝回答。但在不断的追问下，他半开玩笑的说：“我现在已经52岁了，离退休也不远了，我认为将会在我退休之前实现。”

以下视频是微软官方制作的量子计算宣传片，浅显易懂，推荐观看：

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