微軟宣布量子超算重大突破，公布路線圖

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

量子計算的出現(xiàn)

量子計算機是一種基于量子力學原理的計算設(shè)備，能夠利用量子比特（qubit）的并行性和疊加性進行超高速的計算。相比傳統(tǒng)計算機使用的比特（bit），量子比特能夠同時處于多種狀態(tài)，使得量子計算機在某些特定問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(zhàn)，如量子比特的穩(wěn)定性、量子糾纏的保持、錯誤校正等。此外，量子計算機的規(guī)模和可靠性也需要進一步提高，以實現(xiàn)實際應用。

量子計算的出現(xiàn)，為經(jīng)典計算機算力的躍遷帶來可能。據(jù)IDC預計，2027年全球量子計算市場規(guī)模將達到107億美元，較2017年相比，10年內(nèi)增長超過40倍 ; 波士頓咨詢發(fā)布的報告預測，在不考慮量子糾錯算法的進展情況下，保守估計到2035年全球量子計算應用市場規(guī)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，樂觀估計2035年市場規(guī)?？赏黄?00億美元，2050年則有望飆升至2950億美元。

10年內(nèi)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(wěn)定的優(yōu)點。微軟高級量子開發(fā)副總裁Krysta Svore預計，將會在10年內(nèi)完成量子超級計算機的構(gòu)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(chǔ)技術(shù)的進步將會實現(xiàn)規(guī)模和影響的提升。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，量子硬件將會被歸入到量子計算實施級別的三大類別：

· 一級（基礎(chǔ)）：這類量子系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)。

· 三級（規(guī)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法解決的重要問題。

為了達到規(guī)模，需要進行基礎(chǔ)物理學的突破。微軟已經(jīng)實現(xiàn)了這一突破，并在美國物理學會的一份期刊中呈現(xiàn)了同行評審的數(shù)據(jù)。

這意味著微軟已經(jīng)實現(xiàn)了通向量子超級計算機的第一個里程碑 —— 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?？梢赃M一步設(shè)計出可靠的邏輯量子比特，達到彈性級別，然后逐步進展到規(guī)?；?。

量子超級計算機將能夠解決在經(jīng)典計算機上無法解決的問題，并能夠擴展以解決我們世界面臨的最復雜問題。為了做到這一點，它必須既具備高性能又可靠。客戶需要了解量子系統(tǒng)在解決實際問題方面的能力，從機器到網(wǎng)絡開銷都需要考慮在內(nèi)。這就是為什么衡量超級計算機不能僅僅通過計算物理或邏輯量子比特來進行的原因。

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(shù)字描述了計算機在一秒鐘內(nèi)可以執(zhí)行多少個可靠操作。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。此類機器可以達到10億rQOPS，從而真正實現(xiàn)通用。

微軟此次提出的“可靠量子機”是基于拓撲量子比特，有望實現(xiàn)高度穩(wěn)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100萬次可靠的量子操作（rQOPS），從而能真正實際解決問題。

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

通過合適的“錯誤緩解”等技術(shù)，在不糾錯的情況下，大概幾百個量子比特即可在有現(xiàn)實應用的場景中實現(xiàn)量子優(yōu)勢，開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，預期仍需要十萬個量子比特才能實現(xiàn)體現(xiàn)量子優(yōu)勢的通用量子計算。

同時值得注意的是，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展。谷歌表示五年之內(nèi)就會制造出來一款可用的量子計算機，將在一些特定的任務測試中戰(zhàn)勝傳統(tǒng)的計算機，并改善人工智能。

IBM則宣布計劃在今年內(nèi)向商業(yè)和研究機構(gòu)提供商業(yè)量子計算機。不過，這些量子計算機不會帶來量子優(yōu)勢，即性能上不會超過傳統(tǒng)的計算機。和谷歌一樣，IBM表示，未來幾年他們可以達到“量子優(yōu)勢”的門檻。IBM研究副總裁Dario Gill說：“我們正在到達這個關(guān)鍵時刻?！?/p>

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

中國在多條技術(shù)路線上并進

無獨有偶，近日，“祖沖之號”量子計算總師朱曉波在接受專訪時表示，大規(guī)模應用的量子計算機到來，大約需要10到15年的時間。

在量子計算的研究和產(chǎn)業(yè)化上，美國的進度領(lǐng)先全球，中國緊隨其后且近年來發(fā)展逐步加快。與IBM、谷歌等公司采用超導量子路線不同，國內(nèi)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。

上述“祖沖之號”即為超導量子路線的代表。據(jù)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)路線上，本源量子打造了“悟空”量子計算機。

而半導體技術(shù)路線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(gòu)建的具有12個量子比特的量子芯片 —— Tunnel Falls。