微軟宣布量子超算重大突破，公布路線(xiàn)圖

據媒體報道，微軟量子研究團隊在創(chuàng )建可靠實(shí)用的量子計算機方面取得了第一個(gè)里程碑，并公布了其量子超級計算機的路線(xiàn)圖，將多年來(lái)對拓撲量子比特的研究路徑具體化。

量子計算的出現

量子計算機是一種基于量子力學(xué)原理的計算設備，能夠利用量子比特（qubit）的并行性和疊加性進(jìn)行超高速的計算。相比傳統計算機使用的比特（bit），量子比特能夠同時(shí)處于多種狀態(tài)，使得量子計算機在某些特定問(wèn)題上具有突破性的計算能力。

然而，目前的量子計算機仍處于早期階段，面臨許多技術(shù)挑戰，如量子比特的穩定性、量子糾纏的保持、錯誤校正等。此外，量子計算機的規模和可靠性也需要進(jìn)一步提高，以實(shí)現實(shí)際應用。

量子計算的出現，為經(jīng)典計算機算力的躍遷帶來(lái)可能。據IDC預計，2027年全球量子計算市場(chǎng)規模將達到107億美元，較2017年相比，10年內增長(cháng)超過(guò)40倍 ; 波士頓咨詢(xún)發(fā)布的報告預測，在不考慮量子糾錯算法的進(jìn)展情況下，保守估計到2035年全球量子計算應用市場(chǎng)規模將達到近20億美元，隨后暴漲到2050年的2600多億美元 ; 若量子計算技術(shù)迭代速度超出預期，樂(lè )觀(guān)估計2035年市場(chǎng)規?？赏黄?00億美元，2050年則有望飆升至2950億美元。

10年內造出量子超級計算機

此前，微軟已經(jīng)在拓撲量子位技術(shù)上取得了重大突破，該技術(shù)具有非常穩定的優(yōu)點(diǎn)。微軟高級量子開(kāi)發(fā)副總裁Krysta Svore預計，將會(huì )在10年內完成量子超級計算機的構建，從研究突破走向功能性量子超級計算機。

從真空管到晶體管再到集成電路，基礎技術(shù)的進(jìn)步將會(huì )實(shí)現規模和影響的提升。隨著(zhù)行業(yè)的不斷發(fā)展，量子硬件將會(huì )被歸入到量子計算實(shí)施級別的三大類(lèi)別：

· 一級（基礎）：這類(lèi)量子系統運行在受噪聲影響的物理量子比特，包括所有當今的噪聲中間規模量子（NISQ）計算機。

· 二級（彈性）：在可靠的邏輯量子位上運行的量子系統。

· 三級（規模）：量子超級計算機可以解決即使最強大的超級計算機也無(wú)法解決的重要問(wèn)題。

為了達到規模，需要進(jìn)行基礎物理學(xué)的突破。微軟已經(jīng)實(shí)現了這一突破，并在美國物理學(xué)會(huì )的一份期刊中呈現了同行評審的數據。

這意味著(zhù)微軟已經(jīng)實(shí)現了通向量子超級計算機的第一個(gè)里程碑 —— 可以創(chuàng )造和控制馬約拉納準粒子，向工程化新的硬件保護量子比特邁進(jìn)?？梢赃M(jìn)一步設計出可靠的邏輯量子比特，達到彈性級別，然后逐步進(jìn)展到規?；?。

量子超級計算機將能夠解決在經(jīng)典計算機上無(wú)法解決的問(wèn)題，并能夠擴展以解決我們世界面臨的最復雜問(wèn)題。為了做到這一點(diǎn)，它必須既具備高性能又可靠?？蛻?hù)需要了解量子系統在解決實(shí)際問(wèn)題方面的能力，從機器到網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)都需要考慮在內。這就是為什么衡量超級計算機不能僅僅通過(guò)計算物理或邏輯量子比特來(lái)進(jìn)行的原因。

微軟表示，它創(chuàng )建了一種衡量量子超級計算機性能的新指標：每秒可靠量子操作（rQOPS），該數字描述了計算機在一秒鐘內可以執行多少個(gè)可靠操作。微軟認為，一臺機器要有資格成為量子超級計算機，其rQOPS至少需要達到100萬(wàn)。此類(lèi)機器可以達到10億rQOPS，從而真正實(shí)現通用。

微軟此次提出的“可靠量子機”是基于拓撲量子比特，有望實(shí)現高度穩定和可靠的量子計算。這種“可靠量子機”在保證錯誤率低于10的負12次方前提下每秒提供100萬(wàn)次可靠的量子操作（rQOPS），從而能真正實(shí)際解決問(wèn)題。

（a）The linear tetron，一種用于進(jìn)行聚變的最小裝置，帶有4個(gè)MZM。（b）Two two-sided tetrons，5 個(gè)拓撲部分。（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )）

通過(guò)合適的“錯誤緩解”等技術(shù)，在不糾錯的情況下，大概幾百個(gè)量子比特即可在有現實(shí)應用的場(chǎng)景中實(shí)現量子優(yōu)勢，開(kāi)啟通往有用量子計算的道路。當然，如果采用容錯量子計算的技術(shù)路線(xiàn)，預期仍需要十萬(wàn)個(gè)量子比特才能實(shí)現體現量子優(yōu)勢的通用量子計算。

同時(shí)值得注意的是，在量子計算機研發(fā)上，近期國際大公司紛紛宣布了計劃或新進(jìn)展。谷歌表示五年之內就會(huì )制造出來(lái)一款可用的量子計算機，將在一些特定的任務(wù)測試中戰勝傳統的計算機，并改善人工智能。

IBM則宣布計劃在今年內向商業(yè)和研究機構提供商業(yè)量子計算機。不過(guò)，這些量子計算機不會(huì )帶來(lái)量子優(yōu)勢，即性能上不會(huì )超過(guò)傳統的計算機。和谷歌一樣，IBM表示，未來(lái)幾年他們可以達到“量子優(yōu)勢”的門(mén)檻。IBM研究副總裁Dario Gill說(shuō)：“我們正在到達這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻?！?/p>

在接下來(lái)的幾年中，IBM希望將這些機器能夠擴展到50個(gè)量子位，遠遠超出現在通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供的5位量子機（免費提供）。該公司認為，在50個(gè)量子位的量級，量子計算機將比經(jīng)典計算機系統能更好地處理一些特定任務(wù)。

中國在多條技術(shù)路線(xiàn)上并進(jìn)

無(wú)獨有偶，近日，“祖沖之號”量子計算總師朱曉波在接受專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)表示，大規模應用的量子計算機到來(lái)，大約需要10到15年的時(shí)間。

在量子計算的研究和產(chǎn)業(yè)化上，美國的進(jìn)度領(lǐng)先全球，中國緊隨其后且近年來(lái)發(fā)展逐步加快。與IBM、谷歌等公司采用超導量子路線(xiàn)不同，國內在量子計算機研發(fā)方面，超導量子計算平臺、半導體量子計算平臺、光量子計算平臺等多條路徑并進(jìn)。

上述“祖沖之號”即為超導量子路線(xiàn)的代表。據悉，在光量子計算領(lǐng)域，中科大潘建偉團隊發(fā)布了“九章”光量子計算原型機；在半導體技術(shù)路線(xiàn)上，本源量子打造了“悟空”量子計算機。

而半導體技術(shù)路線(xiàn)也是國外巨頭看好的技術(shù)路徑之一。近日，英特爾就發(fā)布了一種在主流CMOS工藝技術(shù)上構建的具有12個(gè)量子比特的量子芯片 —— Tunnel Falls。