來源：CNET

編輯：大明

       【新智元導(dǎo)讀】谷歌宣布實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”后，其他科技巨頭也開始在量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)力了。近日，微軟提出“拓?fù)淞孔颖忍?rdquo;，有望將構(gòu)建邏輯量子比特所需的物理量子比特?cái)?shù)量降低99%。由此產(chǎn)生的新量子算法將計(jì)算時(shí)間由30000年縮短至1.5天。來新智元 AI 朋友圈和AI大咖們一起討論吧。

       前不久，谷歌剛剛宣布實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，這是一個(gè)里程碑。量子計(jì)算機(jī)在運(yùn)行原理上本質(zhì)不同，使其在很大程度上超越了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。但是，微軟希望通過另一個(gè)角度來實(shí)現(xiàn)類似的目的：重新設(shè)計(jì)量子計(jì)算的核心元素——量子比特來實(shí)現(xiàn)計(jì)算性能的提升。

       微軟一直在研究的技術(shù)名為拓?fù)淞孔颖忍�，微軟量子�?jì)算軟件部門總經(jīng)理KrystaSvore說，在花了五年時(shí)間弄清拓?fù)淞孔颖忍氐膹?fù)雜硬件之后，該公司幾乎準(zhǔn)備好應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)了。

       Svore在IEEE舉辦的一次大會(huì)上的演講后表示：“最近幾年，我們確實(shí)在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。我們認(rèn)為我們已經(jīng)接近實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)了。”

       量子計(jì)算機(jī)難以理解、難以構(gòu)建、難以操作、難以編程。量子計(jì)算機(jī)只有被冷卻到比絕對零度稍高的極低溫度下才能正常工作，這個(gè)溫度比外太空還低。普通人要想用上量子筆記本電腦，還需要等待很長很長時(shí)間。

       但是，如果可以用戶可訪問的數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)，就可以解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法處理的計(jì)算難題，從而帶來巨大的收益。Svore舉出的實(shí)例包括化學(xué)問題，如提高肥料效率，或調(diào)度卡車，加快交貨速度、減少車流壓力等。

       拓?fù)淞孔颖忍兀簶?gòu)建邏輯量子比特所需的物理量子比特?cái)?shù)降低99%

       經(jīng)典計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)存儲為“0或1”的位。但是，量子比特（又稱量子位）可以通過疊加的特殊量子物理學(xué)原理同時(shí)存儲0和1的組合，還可以通過另一種稱為“糾纏”的現(xiàn)象捆綁在一起。這些現(xiàn)象使量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)探索大量可能的解決方案。

       量子計(jì)算最基本的問題之一是量子比特容易受到干擾。所以量子計(jì)算機(jī)的心臟需要放在一個(gè)55加侖桶大小的冷藏容器中。

微軟量子計(jì)算軟件部門總經(jīng)理Krysta Svore

       不過，即使使用這種低溫隔離措施，目前的單個(gè)量子位完成有用工作的最大時(shí)間也不到一秒。為了補(bǔ)償這種不足，量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)人員提出一種名為“糾錯(cuò)”的技術(shù)，將大量物理量子比特一起軛合成一個(gè)有效的量子比特，稱為邏輯量子比特。目的是，當(dāng)組成邏輯量子比特的許多物理量子比特誤入歧途出錯(cuò)時(shí)，量子計(jì)算機(jī)整體仍可以執(zhí)行有用的處理工作。

       Svore說，微軟拓?fù)淞孔颖忍氐闹饕獌?yōu)點(diǎn)是，構(gòu)建一個(gè)邏輯量子比特所需的物理量子比特?cái)?shù)量更少了。使用微軟的拓?fù)淞孔颖忍丶夹g(shù)，構(gòu)建一個(gè)邏輯量子比特只需10到100個(gè)物理量子比特。相比之下，其他方法大約需要1,000至20,000個(gè)。

       “我們相信管理費(fèi)用將大大減少。”只需使用更少的量子比特，就能將量子計(jì)算機(jī)推向?qū)嵱谩?/p>

       相比之下，谷歌的量子計(jì)算芯片使用了53個(gè)物理量子比特。研究人員估計(jì)，要達(dá)到研究所需的實(shí)用級別，需要至少達(dá)到100萬個(gè)量子比特水平。

       不過，目前微軟的拓?fù)淞孔颖忍丶夹g(shù)還沒有推向應(yīng)用，替代設(shè)計(jì)可能無法正常工作，目前還在實(shí)際測試中。

       潛在應(yīng)用實(shí)例：提高肥料能效，合理調(diào)度貨車

       微生物可以有效地將氮“固定”在肥料分子中，但工業(yè)化反應(yīng)過程需要大量能量。量子計(jì)算機(jī)通過模擬分子相互作用背后的實(shí)際原理，可能提煉出反應(yīng)的催化劑，優(yōu)化制造工藝。

       “想獲得更好的固氮性能，可以模仿這些微生物的行為。” Svore說。“這些微生物一直在土壤中進(jìn)行這些操作，不需要高溫和高壓條件，并且不用消耗多達(dá)世界5％的天然氣。”

       在量子計(jì)算愛好者中，不少都從事計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的研究。除了微軟和谷歌，還包括IBM，英特爾，霍尼韋爾，IonQ和Rigetti Computing等企業(yè)。

       而實(shí)際上，這個(gè)理念可以追溯到1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）提出的有關(guān)量子計(jì)算的最早想法。

       費(fèi)曼曾在MIT的一次演講中說：“自然并不是經(jīng)典的，如果你想對自然進(jìn)行模擬，最好使用量子力學(xué)。”你可以使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的模擬來近似模擬自然，但費(fèi)曼希望能有一種量子計(jì)算機(jī)提供真實(shí)的東西，費(fèi)曼說：“這種計(jì)算機(jī)的作用機(jī)理與自然完全相同。”

       量子計(jì)算應(yīng)用的另一個(gè)方向是優(yōu)化。這是一個(gè)寬泛的概念，涵蓋了從平衡投資組合到飛機(jī)航班調(diào)度等所有內(nèi)容。微軟已經(jīng)證明量子計(jì)算機(jī)可以加快傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上的包裹運(yùn)輸和交付的速度。Svore表示，在一項(xiàng)測試中，利用量子技術(shù)，卡車車隊(duì)行駛路線的總里程減少了37％，需要的卡車數(shù)量也更少了。

       “我們確實(shí)有了更好的答案。”她說。

       更快的量子算法：固氮任務(wù)時(shí)間從3萬年縮短至1.5天

       微軟還試圖改善量子計(jì)算的其他方面，包括其控制系統(tǒng)，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)是一團(tuán)混亂的電線，數(shù)量有數(shù)百根之多，每根電線都是用于與量子比特通信的昂貴同軸電纜。

       最近，微軟在一次會(huì)議上展示了與悉尼大學(xué)共同開發(fā)的新的量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，新系統(tǒng)使用的電線數(shù)量大大減少，從216條減少到只有3條，Svore說表示， “我們認(rèn)為這一進(jìn)步可以擴(kuò)展到成千上萬個(gè)量子比特甚至更多。” 同時(shí)，她也鼓勵(lì)教授們向?qū)W生多多介紹學(xué)習(xí)和改進(jìn)量子算法的方法。

       目前，微軟已經(jīng)解決了肥料固氮問題的一個(gè)方面，這個(gè)問題在經(jīng)典機(jī)器上根本無法解決，不過即使使用量子計(jì)算機(jī)，仍需要花費(fèi)30000年的時(shí)間。Svore說，這已經(jīng)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快得多，但仍然不實(shí)用。隨著算法的改進(jìn)，微軟已經(jīng)找到了一種方法，將任務(wù)時(shí)間縮短到一天半。

       Svore表示：“新算法可以成為解決這個(gè)問題的突破口，我們要讓讓量子算法變得更快、更好，我們還需要繼續(xù)努力。”