微软动真格,聚集顶尖量子物理学家打造拓扑量子样机

今年十月自然杂志采访了微软研究的量子结构和计算小组,介绍了微软在拓扑量子计算研究上的成果。微软研究拓扑量子计算已经有十多年了。但是市面上关于其研究的具体内容并不多见。近日,微软决定着手打造量子计算工程样机,十多年的研究成果终将付诸实践。


微软在量子计算领域投入了大量的资金和工程,意图打造一台秒杀当下数字计算机的机器。眼下技术世界的前景比较乐观,有望造出科幻作品中曾出现的那种量子计算机、超级计算设备。一旦这种机器运转起来,药物设计和人工智能这样的领域都会受其影响,而且还会为现代物理学的基础提供更好的理解。微软决心从纯研究转向昂贵的应用研究,反映出包括谷歌、IBM 在内的全球科技公司的竞争态势,这些技术巨头都在大量投入突破性技术的研发。


在量子物理学的奇异世界里,微软选择了一条不同的道路,将自已与其他竞争对手区分开来。微软选择研究「编织」粒子,也被称为任意子「anyons」,据物理学家描述,这种粒子存在于两个维度。微软将利用其利用亚原子粒子的独特物理性质来建立超级计算机的构建块。


领先的研究者承认打造有用的量子机器仍然有障碍,这些障碍来自于基础物理学以及开发探索量子比特特性的软件,而当下的数字系统的计算能力无法跨越这些障碍。


不同与可以任意开关的传统晶体管,可以用 0 或 1 表示,量子比特存在于这二者的叠加状态中,或者同时拥有这两种状态。如果量子比特被置于一种与其他量子比特「纠缠」在一起的状态——物理上分离,但是行为上深深地交织在一起。一台量子计算机很可能有数百数千个量子比特构成。


微软 2005 年起开始这方面的研究,建立了 Station Q,由数学家 Michael Freedman 领导。


现在微软相信很快就能设计出基础的量子比特构建块,已经着手打造完整的计算机,指导该项目的资深工程经理 Todd Holmdahl 说到。在过去几年中,他已经领导了多个微软项目,包括 Xbox 视频游戏机器和即将发布的 HoloLens 增强现实系统。


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Todd Holmdahl


Holmdahl 先生说道,「一旦我们弄出了第一个量子比特,后面的路线会非常清晰,我们就能轻松造出数千个量子比特。」


然而物理学家和计算机科学家仍在争论到底能不能造出一个真正有用的量子计算机。


多种其他的研究项目正在尝试用不同的材料和设计打造量子比特。微软的方法被称为拓扑量子计算,这种方法基于今年的诺贝尔物理学奖成果,存在于两个维度的物质形式。


Holmdahl 的项目囊括了一票知名物理学家,包括代尔夫特工业大学的 Leo Kouwenhoven,哥本哈根大学的物理学家 Charles M. Marcus,悉尼大学的 David Reilly 和苏黎世联邦理工学院的 Matthias Troyer。


这些物理学家都将成为在 Artificial Intelligence and Research Group 老大沈向洋的带领下成为微软的员工,他们说微软之所以决定做拓扑计算机是因为过去两年内科学的巨大进展让他们相信这件公司会造出更稳定的量子比特。


「魔法是结合半导体和超导体,」Marcus 博士说。研究人员最近在制作量子比特的控制上取得了重大突破。最具竞争力的方法是将量子计算机冷却到接近绝对 0 度。


到目前为止,几乎还没有出现能比数字计算机更快解决问题的有效算法。早期有个知名的 Short 算法,用于因素数字,当时非常有希望打败数字计算机中的代码。


那将可能出现振动世界的结果,因为现代电子商务是建立在密码系统上的,用传统的数字计算机破解不了。其他的方法或许可以更快地搜索数据库或者执行机器学习算法,目前正用于解决计算机视觉和语音识别的问题。


然而更直接的影响是是,这些工具或许可以推动物理学的基本理解,这是物理学家 Richard P. Feynman 在 1982 年推测量子计算机时生出的想法。


而在 Kouwenhoven 博士看来,「我对量子计算的理想应用是一台可以解决量子物理问题的机器」。

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