微軟將研究實用規(guī)模量子計算

謝珊

近日，有媒體報道美國國防部高級研究計劃局（DARPA）計劃與微軟合作，研究如何實現(xiàn)實用規(guī)模（utility-scale）的量子計算，致力尋求在量子技術方面占據(jù)全球領導地位。微軟是被該部門選為探索非主流量子計算解決方案的3家公司之一。分析師表示合作開發(fā)大規(guī)模量子計算項目將是實現(xiàn)量子技術長期潛力的關鍵。

開發(fā)量子計算的幾種技術路線

開發(fā)量子計算有很多種方法，目前還不清楚哪一種方法在未來幾十年中占據(jù)主導地位。這場競賽是為了實現(xiàn)可持續(xù)的、可擴展的容錯處理，以完成傳統(tǒng)超級計算機不可能完成或不可行的計算任務。DARPA正在投資開發(fā)目前尚未實現(xiàn)的量子計算想法，這些想法可能在未來達到實用規(guī)模。

盡管在金融和制藥領域有一些早期的應用案例，但量子計算技術仍處于早期的研究和開發(fā)階段。盡管有2項技術（即俘獲離子和超導量子比特）最常被使用，目前并沒有哪一項技術占據(jù)主導地位。在俘獲離子量子處理器中，帶電粒子懸浮在自由空間中，量子比特存儲在每個離子的穩(wěn)定電子狀態(tài)中。這在包括Oxford Ionics、IonQ和Quantinuum在內的初創(chuàng)公司中很受歡迎，部分原因是它的量子比特的壽命較長，而且也是量子計算更成熟的方法之一。另一項主要技術是超導量子計算，該領域的一些大公司（例如IBM、谷歌、D-Wave、IQM等）都在采用這種技術，甚至微軟也在使用。在這種方法下，超導電路被用來進行量子運算。這是最成熟的量子計算形式之一，可以提供比其他類型更多的量子比特，并且需要更少的能量。

除了這2種技術之外，還有其他一些公司正在開發(fā)其他方法，其中包括光子學、核磁共振、量子退火和拓撲量子計算。

DARPA攜手微軟聚焦實用規(guī)模量子計算

拓撲量子計算是微軟的一個新的重點，也是該公司將其作為DARPA達成合作伙伴關系的一部分進行探索的領域。另外Atom和PsiQuantum兩家公司也將與DARPA合作，旨在探索量子技術如何擴展到計算價值超過成本的程度，并比傳統(tǒng)預測的速度快得多。其中，Atom正在基于大型光學捕獲原子陣列構建高度可擴展的量子計算機，而PsiQuantum正在使用基于硅光子學來建造基于光子量子比特晶格結構的糾錯量子計算機。

微軟Azure的量子團隊正在構建一個基于拓撲量子比特的工業(yè)規(guī)模量子計算機。該公司表示，從理論上來說，這應該能夠使他們制造出一個足夠小的量子計算機，可以放在一個柜子里，計算速度足夠快，可以在采用超過100萬個量子比特解決以前無法解決的問題。

微軟工程師在一篇博客文章中寫道：“我們對這一設計充滿信心，因為我們在物理學上取得了重大突破，為世界上第一個拓撲量子比特的工程設計掃清了一個主要障礙，最終構建了一個規(guī)?；牧孔訖C器?！?/p>

微軟沒有像其他量子計算公司那樣，一次只進行少量量子比特的小規(guī)模迭代更新，而是專注于開發(fā)更大規(guī)模的量子計算技術，其方法基于至少需要100萬個量子比特來執(zhí)行任何有用的計算。這也是促使DARPA與該公司合作的原因。作為其未探索的實用規(guī)模量子計算系統(tǒng)（US2QC）計劃的一部分，DARPA希望減少沒有進行探索的量子方法帶來戰(zhàn)略意外的危險。

DARPA國防科學辦公室US2QC項目經理Joe Altepeter在一份新聞稿中解釋說：“我們在2021年發(fā)出了一個呼吁，如果有人認為他們在不久的將來（10年以內）有一個真正革命性的方法來建造真正可用的量子計算機，我們希望聽到他們的建議，并積極與他們合作，資助更多的技術專家加入開發(fā)團隊，并為他們提出的解決方案提供嚴格的政府核查和驗證?！?h3> DARPA希望占據(jù)美國在量子計算領域領導地位

DARPA的最終目標是推動美國在一個具有重要戰(zhàn)略意義的技術領域的商業(yè)領導地位，并確保國家安全，避免在其他國家在美國尚未廣泛探索的領域領先時出現(xiàn)任何重大意外。

這3家公司將各自提出自己的設計概念，描述他們對實用規(guī)模量子計算機的計劃，該計劃將對所有系統(tǒng)和子系統(tǒng)進行嚴格的設計，一旦構建和測試完成，DARPA的測試和驗證團隊將對該概念進行更詳細的評估，并將進入下一階段，該階段可能會看到這些機器在現(xiàn)實世界中的實現(xiàn)。

風險投資商OpenOcean合伙人Ekaterina Almasque是量子計算初創(chuàng)廠商IQM公司的早期投資者。她表示：“量子計算是一項長期投資，其發(fā)展在很大程度上依賴于政府部門和大型科技公司的研究預算，包括那些播種早期種子和培育生態(tài)系統(tǒng)的具有遠見的組織。DARPA在突破性研究方面有著悠久的歷史，他們認為規(guī)模是量子計算的關鍵因素，這一點很有說服力。我們現(xiàn)在還沒有進入量子時代，但也沒有像一些觀察人士所說的那樣處于災難性的‘量子冬天?！?/p>

“我們所處的時代是一個令人興奮的創(chuàng)新時代，任何事情都有可能發(fā)生。在這個時代，小型初創(chuàng)企業(yè)有機會取得突破，擴大規(guī)模，并與微軟等科技巨頭進行競爭?！彼硎荆骸半m然距離量子霸權（量子計算機超越傳統(tǒng)計算機的時刻）還有一段時間，我們可能短期內看不到功能完備的量子計算機，但預計未來10年將取得很大進展?！?/p>