谷歌宣布實現“量子霸權”后，其他科技巨頭也開始在量子計算領域發力了。近日，微軟提出“拓撲量子比特”，有望將構建邏輯量子比特所需的物理量子比特數量降低99%。由此產生的新量子算法將計算時間由30000年縮短至1.5天。
微軟一直在研究的技術名為拓撲量子比特，微軟量子計算軟件部門總經理KrystaSvore說，在花了五年時間弄清拓撲量子比特的復雜硬件之后，該公司幾乎準備好應用這項技術了。
Svore在IEEE舉辦的一次大會上的演講后表示：“最近幾年，我們確實在開發這項技術。我們認為我們已經接近實現這一目標了。”
量子計算機難以理解、難以構建、難以操作、難以編程。量子計算機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間。
但是，如果可以用戶可訪問的數據中心中運行量子計算機，就可以解決傳統計算機無法處理的計算難題，從而帶來巨大的收益。Svore舉出的實例包括化學問題，如提高肥料效率，或調度卡車，加快交貨速度、減少車流壓力等。
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所需的物理量子比特數降低99%
經典計算機將數據存儲為“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原理同時存儲0和1的組合，還可以通過另一種稱為“糾纏”的現象捆綁在一起。這些現象使量子計算機能夠同時探索大量可能的解決方案。
量子計算最基本的問題之一是量子比特容易受到干擾。所以量子計算機的心臟需要放在一個55加侖桶大小的冷藏容器中。
微軟量子計算軟件部門總經理Krysta Svore
不過，即使使用這種低溫隔離措施，目前的單個量子位完成有用工作的最大時間也不到一秒。為了補償這種不足，量子計算機設計人員提出一種名為“糾錯”的技術，將大量物理量子比特一起軛合成一個有效的量子比特，稱為邏輯量子比特。目的是，當組成邏輯量子比特的許多物理量子比特誤入歧途出錯時，量子計算機整體仍可以執行有用的處理工作。
Svore說，微軟拓撲量子比特的主要優點是，構建一個邏輯量子比特所需的物理量子比特數量更少了。使用微軟的拓撲量子比特技術，構建一個邏輯量子比特只需10到100個物理量子比特。相比之下，其他方法大約需要1,000至20,000個。
“我們相信管理費用將大大減少。”只需使用更少的量子比特，就能將量子計算機推向實用。
相比之下，谷歌的量子計算芯片使用了53個物理量子比特。研究人員估計，要達到研究所需的實用級別，需要至少達到100萬個量子比特水平。
不過，目前微軟的拓撲量子比特技術還沒有推向應用，替代設計可能無法正常工作，目前還在實際測試中。
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提高肥料能效，合理調度貨車
微生物可以有效地將氮“固定”在肥料分子中，但工業化反應過程需要大量能量。量子計算機通過模擬分子相互作用背后的實際原理，可能提煉出反應的催化劑，優化制造工藝。
“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行這些操作，不需要高溫和高壓條件，并且不用消耗多達世界5％的天然氣。”
在量子計算愛好者中，不少都從事計算化學領域的研究。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。
而實際上，這個理念可以追溯到1981年諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）提出的有關量子計算的最早想法。
費曼曾在MIT的一次演講中說：“自然并不是經典的，如果你想對自然進行模擬，最好使用量子力學。”你可以使用經典計算機上的模擬來近似模擬自然，但費曼希望能有一種量子計算機提供真實的東西，費曼說：“這種計算機的作用機理與自然完全相同。”
量子計算應用的另一個方向是優化。這是一個寬泛的概念，涵蓋了從平衡投資組合到飛機航班調度等所有內容。微軟已經證明量子計算機可以加快傳統計算機上的包裹運輸和交付的速度。Svore表示，在一項測試中，利用量子技術，卡車車隊行駛路線的總里程減少了37％，需要的卡車數量也更少了。
“我們確實有了更好的答案。”她說。
更快的量子算法：固氮任務時間從3萬年縮短至1.5天
微軟還試圖改善量子計算的其他方面，包括其控制系統，現在的量子計算機的控制系統是一團混亂的電線，數量有數百根之多，每根電線都是用于與量子比特通信的昂貴同軸電纜。
最近，微軟在一次會議上展示了與悉尼大學共同開發的新的量子計算機控制系統，新系統使用的電線數量大大減少，從216條減少到只有3條，Svore說表示， “我們認為這一進步可以擴展到成千上萬個量子比特甚至更多。” 同時，她也鼓勵教授們向學生多多介紹學習和改進量子算法的方法。
目前，微軟已經解決了肥料固氮問題的一個方面，這個問題在經典機器上根本無法解決，不過即使使用量子計算機，仍需要花費30000年的時間。Svore說，這已經比經典計算機快得多，但仍然不實用。隨著算法的改進，微軟已經找到了一種方法，將任務時間縮短到一天半。
Svore表示：“新算法可以成為解決這個問題的突破口，我們要讓讓量子算法變得更快、更好，我們還需要繼續努力。”
https://www.cnet.com/news/for-faster-quantum-computing-microsoft-builds-a-better-qubit/
文章來源：CNET
IEEE Spectrum
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