无惧谷歌量子霸权！微软提出“拓扑量子”算法，任务耗时由3万年缩至一天半

来源：CNET

编辑：大明

       【新智元导读】谷歌宣布实现“量子霸权”后，其他科技巨头也开始在量子计算领域发力了。近日，微软提出“拓扑量子比特”，有望将构建逻辑量子比特所需的物理量子比特数量降低99%。由此产生的新量子算法将计算时间由30000年缩短至1.5天。来新智元 AI 朋友圈和AI大咖们一起讨论吧。

       前不久，谷歌刚刚宣布实现了“量子霸权”，这是一个里程碑。量子计算机在运行原理上本质不同，使其在很大程度上超越了传统计算机。但是，微软希望通过另一个角度来实现类似的目的：重新设计量子计算的核心元素——量子比特来实现计算性能的提升。

       微软一直在研究的技术名为拓扑量子比特，微软量子计算软件部门总经理KrystaSvore说，在花了五年时间弄清拓扑量子比特的复杂硬件之后，该公司几乎准备好应用这项技术了。

       Svore在IEEE举办的一次大会上的演讲后表示：“最近几年，我们确实在开发这项技术。我们认为我们已经接近实现这一目标了。”

       量子计算机难以理解、难以构建、难以操作、难以编程。量子计算机只有被冷却到比绝对零度稍高的极低温度下才能正常工作，这个温度比外太空还低。普通人要想用上量子笔记本电脑，还需要等待很长很长时间。

       但是，如果可以用户可访问的数据中心中运行量子计算机，就可以解决传统计算机无法处理的计算难题，从而带来巨大的收益。Svore举出的实例包括化学问题，如提高肥料效率，或调度卡车，加快交货速度、减少车流压力等。

       拓扑量子比特：构建逻辑量子比特所需的物理量子比特数降低99%

       经典计算机将数据存储为“0或1”的位。但是，量子比特（又称量子位）可以通过叠加的特殊量子物理学原理同时存储0和1的组合，还可以通过另一种称为“纠缠”的现象捆绑在一起。这些现象使量子计算机能够同时探索大量可能的解决方案。

       量子计算最基本的问题之一是量子比特容易受到干扰。所以量子计算机的心脏需要放在一个55加仑桶大小的冷藏容器中。

微软量子计算软件部门总经理Krysta Svore

       不过，即使使用这种低温隔离措施，目前的单个量子位完成有用工作的最大时间也不到一秒。为了补偿这种不足，量子计算机设计人员提出一种名为“纠错”的技术，将大量物理量子比特一起轭合成一个有效的量子比特，称为逻辑量子比特。目的是，当组成逻辑量子比特的许多物理量子比特误入歧途出错时，量子计算机整体仍可以执行有用的处理工作。

       Svore说，微软拓扑量子比特的主要优点是，构建一个逻辑量子比特所需的物理量子比特数量更少了。使用微软的拓扑量子比特技术，构建一个逻辑量子比特只需10到100个物理量子比特。相比之下，其他方法大约需要1,000至20,000个。

       “我们相信管理费用将大大减少。”只需使用更少的量子比特，就能将量子计算机推向实用。

       相比之下，谷歌的量子计算芯片使用了53个物理量子比特。研究人员估计，要达到研究所需的实用级别，需要至少达到100万个量子比特水平。

       不过，目前微软的拓扑量子比特技术还没有推向应用，替代设计可能无法正常工作，目前还在实际测试中。

       潜在应用实例：提高肥料能效，合理调度货车

       微生物可以有效地将氮“固定”在肥料分子中，但工业化反应过程需要大量能量。量子计算机通过模拟分子相互作用背后的实际原理，可能提炼出反应的催化剂，优化制造工艺。

       “想获得更好的固氮性能，可以模仿这些微生物的行为。” Svore说。“这些微生物一直在土壤中进行这些操作，不需要高温和高压条件，并且不用消耗多达世界5％的天然气。”

       在量子计算爱好者中，不少都从事计算化学领域的研究。除了微软和谷歌，还包括IBM，英特尔，霍尼韦尔，IonQ和Rigetti Computing等企业。

       而实际上，这个理念可以追溯到1981年诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）提出的有关量子计算的最早想法。

       费曼曾在MIT的一次演讲中说：“自然并不是经典的，如果你想对自然进行模拟，最好使用量子力学。”你可以使用经典计算机上的模拟来近似模拟自然，但费曼希望能有一种量子计算机提供真实的东西，费曼说：“这种计算机的作用机理与自然完全相同。”

       量子计算应用的另一个方向是优化。这是一个宽泛的概念，涵盖了从平衡投资组合到飞机航班调度等所有内容。微软已经证明量子计算机可以加快传统计算机上的包裹运输和交付的速度。Svore表示，在一项测试中，利用量子技术，卡车车队行驶路线的总里程减少了37％，需要的卡车数量也更少了。

       “我们确实有了更好的答案。”她说。

       更快的量子算法：固氮任务时间从3万年缩短至1.5天

       微软还试图改善量子计算的其他方面，包括其控制系统，现在的量子计算机的控制系统是一团混乱的电线，数量有数百根之多，每根电线都是用于与量子比特通信的昂贵同轴电缆。

       最近，微软在一次会议上展示了与悉尼大学共同开发的新的量子计算机控制系统，新系统使用的电线数量大大减少，从216条减少到只有3条，Svore说表示， “我们认为这一进步可以扩展到成千上万个量子比特甚至更多。” 同时，她也鼓励教授们向学生多多介绍学习和改进量子算法的方法。

       目前，微软已经解决了肥料固氮问题的一个方面，这个问题在经典机器上根本无法解决，不过即使使用量子计算机，仍需要花费30000年的时间。Svore说，这已经比经典计算机快得多，但仍然不实用。随着算法的改进，微软已经找到了一种方法，将任务时间缩短到一天半。

       Svore表示：“新算法可以成为解决这个问题的突破口，我们要让让量子算法变得更快、更好，我们还需要继续努力。”