【科技动态】微软的量子物理能否开启计算机无限强大的新时代？
导读：目前为止，微软在该项目已投入几乎十年的时间，现在开始了公开讨论。如果项目成功，世界可因此发生巨大变化，而微软这个业界广泛认为困在过去辉煌岁月里的企业，将开启新的未来。
微软拓扑量子位创建研究小组Q站的主任Michael Freedman。
2012年，荷兰的物理学家们宣布了一项粒子物理学领域的新发现，该发现开启了人们对诺贝尔奖的讨论。他们在一根微小的半导体晶体棒（经过冷冻，比外部空间冷）内发现了可以确定1937年一项预测真实性的东西。这一进步好像与出售办公效率软件或在云计算方面与亚马逊竞争等无关，但时任微软技术和研究策略领导人的Craig Mundie十分高兴。
该发现深奥难懂——微软提供了部分资助与担保——但对公司当时构建无限强大计算机的项目来说十分关键，公司设想该计算机可通过量子物理来处理数据。“当时正处在紧要关头，”Mundie说。“这一研究给我们实现其中一种系统指明了道路。”
目前为止，微软在该项目已投入几乎十年的时间，现在开始了公开讨论。如果项目成功，世界可因此发生巨大变化。自从物理学家Richard Feynman于1982年首次提出量子计算机的概念起，理论家们已证明这种机器可解决最快的传统计算机需要亿万年或更长时间才能解决的问题。例如，量子计算机可为研究人员提供更好的工具来设计新药物或超高效太阳能电池。量子计算机可能会彻底变革人工智能。
但在计算彻底变更方面的进步十分缓慢，因为没人能创建出足够可靠的量子计算机基本构件：通过量子效应进行数据编码的量子比特或量子位。学术界和政府研究人员及IBM和惠普公司的企业实验室都曾构建出该基本构件。他们将少量的基本构件连接在一起，最终制成的设备确实有很大提高。因为没人能有效控制量子位的物理现象，使其成为实用型通用计算机的基础。
微软目前尚未构建出量子位。但在量子物理学领域可能出现的悖论中，微软相较其他公司或机构来说，仍旧能更早使量子计算机成为现实。微软现在正在开发一种新型拓扑量子位，主要依据即2012年荷兰物理学家们的那一发现。这一点可使人们充分相信其设计不会出现困扰当前各种量子位的不可靠性。而且其新设计还更适合大量生产。
“我们正在做的事类似于着手制造第一根晶体管，”微软研究院院长Peter Lee说。他自己的公司也在研究怎样设计与控制由拓扑量子位制成的计算机电路。微软致力于量子计算机算法分析的研究人员已证明，仅由几百个量子位构成的机器在化学模拟运行方面的能力超过当前任何一台巨型计算机。
大约在明年，微软支持的物理实验室将根据一位户外数学天才所开发的蓝图开始测试其量子计算机的关键部件。如测试能圆满完成，微软这个业界广泛认为困在过去辉煌岁月里的企业，将开启新的未来。
但有生手仍认为：处于传说中但已渐渐淡出大众视野的贝尔实验室的物理学家可能首先完成这一点。
着眼重要节点
在距离太平洋100码的一间阳光充沛的房屋内，住着微软项目的倡导者和技术策划Michael Freedman，他承认感到自卑。“开始思考量子计算时，你会发现你本身其实是一台笨重的化学模拟计算机，”他说。
Freedman现年63岁，是微软拓扑量子位创建研究小组Q站的主任，在圣巴巴拉市加利福尼亚大学起即在校园内的十几个办公室工作。他身体健康、皮肤黝黑，穿过一条沙滩小路去吃午饭，鞋子上荡满了灰尘。
如果说Freedman的大脑是一台笨重的化学计算机，那也是非凡的笨重计算机。他是一位数学天才，16岁时考入加州大学伯克利分校，两年后毕业。30岁时，他解出了数学界未决时间最长的问题之一——庞加莱猜想。他在解题时不用写、记下任何东西，在大脑内即可看到四维变形。“我通过论证就能看到自己的思路，”Freedman回忆道。他将自己大脑内看到的转换成一本95页的文件，最终获得了数学界的最高荣誉——菲尔兹奖。
这巩固了Freedman在拓扑领域及关于形状特性（即形状扭曲变形后，特性不会改变）学科方面的导航明灯地位。
有个老笑话说，拓扑学家无法区分咖啡杯和甜甜圈——因为二者表面均穿有单孔。但他的一位同事发现，描述节点拓扑的数学和解释某些量子现象的理论之间存在某种联系，之后（1988年），Freedman进入物理学领域。“这很美妙，”Freedman说。他随即便发现，这种联系使得由同一种量子物理控制的计算机能解决对传统计算机来说太难的问题。当时，他并不知道量子计算的概念早已存在，反而独立地再次提出并改进了这一概念。
Freedman持续研究关注这一概念，之后的1997年加入了微软理论数学方面的研究小组。很快地，他和一位俄罗斯理论物理学家Alexei Kitaev结成了合作小组，Alexei Kitaev曾证明根据同样物理规律形成的“拓扑量子位”可能比其他小组当时正在构建的更为可靠。Freedman最终感到自己开始逐渐熟悉原来纯净的深奥数学和物理范围之外的东西，而这种东西绝对值得关注。
2004年，他出现在Craig Mundie的办公室，并宣称自己找到了构建可靠性足够按比例放大的量子位的方法。“到最后我好像在做宣传一样，”Freedman说。“似乎只要你想开始建立这种技术，就能做到。”
Mundie最终购买了这项技术。尽管微软当时还未曾试图开发量子计算机，但Mundie知道该技术的巨大潜力及在构建过程中的缓慢进程。“我当时一下子就被这种想法吸引了，想想可能会有一种完全不同的方法，”他说。“这种计算形式极有可能成为新变革的基础，类似过去60年来传统计算方式为世界带来的改变。”在神经有点紧张的Freedman掌舵的情况下，Mundie开始了创建拓扑量子位的努力。“我一生中甚至从未创建过一个晶体管收音机，”Freedman说。
遥远的梦想
量子计算机在某些方面与传统计算机的差别并不大。二者都是处理以比特为单位的二进制数据，且两种机器均由代表比特的基本单位构成，在不同状态间切换（类似开关）。传统计算机中，芯片上的每个微小晶体管都可关闭（指示0）或打开（指示1）。
但由于量子物理学的古怪规律，且该规律在极微小等级上支配物质和能量的状态，量子位可通过技巧大大提高晶体管的能力。一个量子位可进入一个迭加量子状态，该状态可同时代表0和1。处于迭加状态时，量子位会具有连接性或“纠缠性”，即任何影响一个的操作都会立即改变另一个的命运。
由于迭加和纠缠，量子计算机内的单一操作会执行整个计算的部分内容，而对等量的普通位来说，这种计算通常需要更多操作才能完成。量子计算机本质上可找到大量可能的并行计算通道。就某些问题类型来看，量子计算机相较于传统计算机的优势呈指数增长，主要体现在其处理数据量上。
“我现在仍惊讶于量子计算机的能力，”Raymond Laflamme说，他是加拿大安大略省滑铁卢大学量子计算研究所的执行董事。“它改变了计算机科学的基础和关于计算的定义。”
在接下来的一年左右，微软支持的物理实验室将开始测试其所设计的量子位。
但量子纯态十分脆弱，仅在小心、刻意的状况下可观察到并予以控制。为维持稳定的迭加状态，必须保证量子位不会受看上去细小的噪音（如亚原子粒子的无规则冲撞声）或附近电子器件产生的微弱电场的干扰。当前效果最佳的两款量子位技术均代表陷在磁场内的单个带电原子的磁性位或超导金属电路内的微小电流，在消相干过程中崩溃之前，可保持迭加状态不到1秒钟。放在一起共同操作的量子位数最多仅七个。
2009年起，谷歌开始测试D-Wave Systems公司最先开始销售的世界上第一部商业化量子计算机，2013年又购买了该计算机拥有512个量子位的版本。但这些量子位被硬连线，组成特定算法电路，从而限制了可解决问题的范围。如果谷歌的测试成功，那么这种方法将创造出一种等同于钳子的量子计算法——仅适用于某些任务。而微软正在探索的传统方法则使得完全可编程的计算机成为可能——相当于一个完整的工具箱。另外，独立研究者们无法证明D-Wave发明的机器真的可当量子计算机来用。最近，谷歌开设了自己的硬件实验室，试图创造一种可转换为成果的技术版本。
对摆脱消相干方法的探索及探索期间引入计算中的错误，已逐渐成为量子计算领域的主导现象。量子位要真正可伸缩，可能需要在大约百万次操作内偶尔消相干一次，Chris Monroe说。他在美国马里兰大学任教授，同时是美国国防部及情报高级研究计划署（IARPA）出资建设的量子计算项目的联合领导者之一。现在，最佳的量子位通常都会消相干成千上万次。
微软的Q站可能有更好的方法。吸引Freedman进入物理界的那种量子状态——在电子陷入某些材料的内部平面内时出现——应具备量子位构建者所渴望的稳定性，因为这些状态对扰乱传统量子位稳定性的多数噪音具有自然免疫力。在此类材料内部，电子在接近绝对零度的温度下会呈现奇怪的性质，形成电子液体，而电子液体的共有量子特性可用来指示位。
微软Q站设计的精致及其所具备的现金资助和设备、计算时间，吸引了不少世界顶尖的物理研究人员主动与微软合作。当然，微软不会告诉外界它每年高达110亿美元的研发经费有多少投入到了该项目上。
但有趣的是，这一物理现象仍未经证明。要将电子液体的量子属性用作位，研究人员必须操控电子液体内的某些粒子，即非阿贝尔任意子，保证其互相环绕。虽然物理学家们都期望非阿贝尔任意子真的存在，但目前为止还未真正检测到一个。
微软Q站及其合作方所权利寻找的非阿贝尔任意子——马约拉纳粒子——特别难以捉摸。1937年，避世隐居的意大利物理学家Ettore Majorana首次预测了马约拉纳粒子，不就后他便神秘地消失了。之后的数十年，这种粒子让无数物理学家为之着迷，因为它具有一种独特的性质，即自身便是反粒子。故，一旦两个马约拉纳粒子相遇，二者会在瞬间能量碰撞中消灭彼此。
长久以来，没人能提出可靠资料证明这种粒子存在，直到2012年，荷兰代尔夫特理工大学的Leo Kouwenhoven在微软资金支持与指导下，宣称自己在半导体锑化铟制成的纳米线内部发现了马约拉纳粒子。他将纳米线连接到大块超导电极的一段，电极另一端则连接普通线，进而生成正确的电子液体。该发现为微的设计提供了最强有力的支持。“这一发现使我们十分相信：我们确实已经掌握了某些东西，”微软研究院院长Peter Lee说。Kouwenhoven的研究小组及其他实验室现在正努力完善实验结果，试图表明这种粒子可掌控。为加快研究进程并尽快踏入大量生产阶段，微软开始与工业公司合作，以保证控制拓扑量子位所需的超导电子和半导体纳米线的正常供应。
尽管如此，微软始终没有自己的量子位。必须找到一种使马约拉纳粒子在操作中互相环绕移动的方法，从而保证写入0s和1s的当量。哥本哈根尼尔斯 玻尔研究所的材料科学家们最近找到一种方法，构建带分支的纳米线，这种纳米线可使一个粒子在另一个经过时闪避到边侧。Chalie Marcus从微软的第一个设计开始即与其合作，现在他准备使用这种新型导线构建一个工作网络。“这份工作会让我们接下来的一年都忙忙碌碌，”他说。
如果成功，将证实微软的量子位设计的有效性，同时可终结近来关于Kouwenhoven并未在2012年检测到马约拉纳粒子的说法。但加利福尼亚理工学院一位理论物理教授John Preskill认为，拓扑量子位目前除了是一种很好的理论外，别无其他。“我对这一概念十分钟情，但多年来的慎重研究仍未找到确凿的证据证明其存在，”他说。
物理学竞争
新泽西州贝尔实验室的Bob Willett说自己曾找到马约拉纳粒子存在的证据。他透过眼镜，盯着一个指尖大小的漆黑色长方形晶体，晶体边缘带有手工焊接导线，表面则不满细小的之字形铝片。Willett称在芯片中间小于1微米的区域内检测到非阿贝尔任意子。如果他的发现正确，那么相较于和微软一起工作的所有人，他都走得更远。在他的系列小型实验室内，尽管满脸疲惫，Willett仍忙于构建即将成为世界首个的拓扑量子位（如果确实成功）。“我们现在正将科学转化为科技，”他说。他的做法并非毫无根据，因为历史上曾有类似先例。从他实验室外沿着走廊一直走，会看到一个玻璃展示柜，里面放置着1947年在此处问世的世界首个晶体管。
Willett所用的仪器是微软几乎已经放弃的设计版本。微软项目开始时，Freedman和同事就确定应该能利用将电子困入陷阱的超纯砷化镓的晶体来构建一种拓扑量子位。但经过四年的实验，微软支持的物理实验室并未找到任何能最终证明非阿贝尔任意子存在的证据。Willett也曾在类似物理学方面研究数年，在看到一篇Freedman写的关于该设计的文章后，他决定自己尝试一次。
在2009到2013年期间，他撰写了系列文章，报告期在自己的晶体仪器内发现了这些重要粒子。使用液态氦将一个晶体冷却至低于1开尔文（−272.15 °C），之后将其放到磁场内，此时晶体中心会形成一种电子液体。Willett通过电极，将粒子分布在晶体边缘；如果这些粒子是与其位于中心的对应粒子相互环绕的非阿贝尔任意子，应该能整体上改变电子液体的拓扑状态。他还公布了若干不同实验的结果，在实验中他发现了警示波动，这些波动理论家们曾在流动粒子电流中检测到。
现在，Willett忙于构建量子位设计，这并不比他做的第一个实验难到哪儿去：将两个相同的电路紧接着放在同一晶体上，同时突出放置连接电子液体的电极；电极可编码并读出代表0s和1s当量的量子状态。
Willett希望他所用的仪器能压制外界对其实验结果的怀疑，而他的实验结果还无人能复制。微软合作研究员Charlie Marcus说，Willett“看到了我们没看到的信号。”Willett则反驳称，Marcus和其他人所用的仪器太大，各晶体之间存在重要的特性差异。他说，他最近对其他研究人员所用的特定规格仪器进行了测试，测试结果证实了他的说法。“我用他们使用的材料做实验，发现了他们止步不前的原因——用这些材料做研究真的让人头痛，”他说。
Willett所说的检测到拓扑量子位的晶体。
在美国电话电报公司作为美国电话业垄断巨头的地位未受挑战前，其旗下的贝尔实验室可谓如鱼得水，研究员们可随心所欲地做许多事情，但后来，贝尔实验室为法国电讯公司阿尔卡特朗讯所有，相较于以前，现在的实验室又小又穷。今年实验室大楼的整个翼侧被推到后，留下一片尘土飞扬且遍布痕迹的空地，Willett的办公室正悬在这片空地之上。但因为实验室的人员比以前少了很多，反而更方便使用需要的任何设备，他说。
同时，阿尔卡特也开始增加对其项目的投资。Willett曾经的合作人员仅三个物理学家，但最近他也开始跟一些数学家、光学专家一起工作。贝尔实验室管理层曾问过少量的量子位可解决哪种问题。“这个项目已逐渐扩展到相对较大的规模，”他说。
Willett将自己看成微软研究人员在学术方面的同事，而非企业竞争者。现在，他仍受邀参加Freedman两年举行一次的讨论会，讨论会要求微软的合作人员及其他领头物理学家们都聚集到圣巴巴拉市。但近几次会议上，微软管理层显然态度比较明显，Willett说，他有时会感到自己来自另一家公司的身份有点尴尬。
如果Willett战胜微软，首先证明微软所支持的观点真的正确，那他遇到的就不止是感到尴尬了。对微软来说，打开一条通往量子计算的实际道路可能算是意外惊喜，而对逐渐没落且上级公司甚至不属于计算行业的贝尔实验室来说，这一发现的效果绝对可用震惊来形容。
量子编码
在微软位于华盛顿州雷德蒙德市遍地落叶的园区内，数千名软件工程师夜以继日地忙于Windows和Microsoft Office软件的漏洞修复及特征添加。游客们通常会在公司博物馆内驻足，与一副真人大小的画像合影，画像是1978年时的比尔盖茨和他的首批员工。在主研究楼内，Krysta Svore始终带领着十几个人，为可能永远不存在的计算机软件而奋战。他们团队的工作是，描画第一代量子计算机能为人类做什么。
微软建立该小组的原因是，量子计算机尽管强大无比，却也无法解决每个问题。而且目前详细开发出的、能表明在真实硬件上的实用性的量子算法很少。“量子计算可能极具破坏性，但我们需要了解它的能力体现在哪里，”Svore说。
“我们相信眼下是大有作为的机会，一旦成功，即能为创造全新的经济奠定基础。”
由于量子位的过冷方式，量子计算机永远不会精致到正好装入口袋（当然，除非有人能用量子计算机设计出更好的量子位）。相反，它用起来就像数据中心或通过因特网提供服务的巨型计算机，或用来解决其他技术无法解决的难题。很有前景的想法是，将量子计算机用于超强化学模拟，进而加快健康或能源等方面主要问题的解决速度。量子计算机能精确模拟现实，因此可取代多年来单调乏味的实验室工作，Svore说。
据美国能源部统计，目前，美国巨型计算机运行时间中大约三分之一花费在化学或材料科学领域的模拟上。Svore的研究小组已研发出一套能使第一代量子计算机解决更为复杂问题的算法，如：现实中仅需几小时或几分钟即可完成对用于空气中二氧化碳清除的催化剂的测试。“这算是量子计算机的一种潜在杀手级应用，”她说。
实际上，专家们还能预见无数种其他杀手级应用。Svore团队的某些已有研究成果能证明量子计算机可用于机器学习，而机器学习这项技术对微软及其对手来说都越来越至关重要。近来，图像和语音识别方面的研究进展引发了人工智能领域的新一轮研究风暴。但人工智能需要数以千计台计算机一起工作，结果却仍远远不如人类本身的能力。而量子计算机有可能克服这一技术的缺陷。
诸如此类的工作解释了为什么第一家成功构建出量子计算机的公司将获得人类科技史上前所未有的巨大优势。“我们相信眼下是大有作为的机遇，一旦成功即能为创建全新经济奠定基础，”微软研究院院长Peter Lee说。正如人们所预料，Peter和所有奋战在量子硬件方面的人员对前景都很乐观。但，要做的还很多，成功的奖牌看起来依旧遥远——就好像量子位技术就是改变世界的雄心和系列深奥难懂的研究论文的迭加。而这，便是致力于量子技术研究的工作人员每天必须面对的无法确切估量的东西。
不过，回报如此丰厚，谁还会责怪他们的疯狂冒险和努力呢？
（来源：MIT科技评论，作者：Tom Simonite）
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