微軟研究拓?fù)淞孔佑?jì)算已經(jīng)有十多年了。但是市面上關(guān)于其研究的具體內(nèi)容并不多見。IBM、谷歌和多家學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室選擇了相對(duì)成熟的硬件，比如超導(dǎo)導(dǎo)線環(huán)（loops of superconducting wire），來制作量子比特（qubit）。但是微軟卻希望能以一種準(zhǔn)粒子（quasiparticle）的狀態(tài)編碼量子比特：一種從物質(zhì)的相互作用中出現(xiàn)的粒子狀物體（object）。
Alex Bocharov 是一位數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，他微軟研究的量子結(jié)構(gòu)和計(jì)算組的成員。他對(duì)自然講述了微軟的這項(xiàng)研究。
Alex Bocharov，微軟研究量子結(jié)構(gòu)和計(jì)算組成員
微軟是如何最終決定要做這個(gè)拓?fù)淞孔颖忍氐模克赡苁亲铍y的量子計(jì)算硬件的。
我們是以人為中心，而不是以問題為中心。和量子計(jì)算的領(lǐng)軍人物，如 Alexei Kitaev、Daniel Gottesman，最值得注意的是，Michael Freedman，是我們量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)發(fā)展的帶頭人。所以這是 Freedman 自己開拓的視野最終決定了做事情的方式，我們都跟著他。
IBM 和谷歌都在使用超導(dǎo)環(huán)作為他們的量子比特。你正嘗試?yán)玫牧孔颖忍厥鞘裁矗?/strong>
我們的量子比特甚至都不是一種物質(zhì)的東西。但是同樣的物理學(xué)家在對(duì)撞機(jī)中使用的基本粒子不是真正的堅(jiān)實(shí)的物體。我們有的是非阿爾貝任意子（non-abelian anyons），比普通粒子更加模糊。它們是準(zhǔn)粒子。被研究的最多的任意子種類出現(xiàn)在非常冷電子鏈中，而電子鏈被限制在一個(gè)二維表面的邊緣。這些任意子的行為既像電子又像它對(duì)應(yīng)的反粒子，它通常以密集的電導(dǎo)峰的形式在一維電子鏈的兩端被觀測(cè)到。
任意子狀的粒子被作為一種獨(dú)立的物體在 1937 年被首次預(yù)測(cè)，而且 Kitaev 在 1997 年也說過準(zhǔn)粒子可以應(yīng)用到量子計(jì)算機(jī)中。但是到了 2012 年，物理學(xué)家才首次宣稱發(fā)現(xiàn)了它們。你可以肯定它們真的存在嗎？
我們非常確定這種最簡(jiǎn)單的物種確實(shí)存在。2012 年，荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的 Leo Kouwenhoven 觀察到過它們。我不會(huì)說有 100% 的確定，但 Kouwenhoven 的觀察已經(jīng)被其他多家實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)過。這種激發(fā)（excitation）到底是什么并不重要，一旦這種粒子變得可以測(cè)量了，它們就可以用來執(zhí)行計(jì)算了。現(xiàn)在的問題是，實(shí)驗(yàn)室正在把一些非常復(fù)雜的設(shè)備放在一起來產(chǎn)生大量的激發(fā)（excitation），并嘗試開始做計(jì)算了。
任意子的開發(fā)似乎非常困難。那么相比其他種類的量子比特，使用任意子的優(yōu)勢(shì)又在哪里呢？
在大多數(shù)量子系統(tǒng)中，信息被編碼到粒子的屬性中，與周圍環(huán)境最輕微的相互作用都會(huì)破壞它們的量子態(tài)。這意味著他們的操作精確度可能達(dá)到了 99.9%，我們成為三個(gè)九。在解決現(xiàn)實(shí)問題上，我們需要的精確度水平是十個(gè)九，所以你需要?jiǎng)?chuàng)造出一個(gè)大型陣列的量子比特，能讓你來修正這些誤差。拓?fù)淞孔佑?jì)算有達(dá)到六個(gè)或七個(gè)九的潛力，這意味著我們不再需要做大量昂貴的誤差校正了。
是什么讓拓?fù)淞孔佑?jì)算的魯棒性這么好？
從環(huán)境和計(jì)算機(jī)的其他部分而來的噪音是不可避免的，這可能導(dǎo)致準(zhǔn)粒子的位置與強(qiáng)度的波動(dòng)。但是沒問題，因?yàn)槲覀儾粫?huì)將信息編碼到準(zhǔn)粒子自己身上，但是我們會(huì)按順序交換任意子的位置。我們稱之為辮子，因?yàn)槿绻惝嫵鲈跁r(shí)間和空間上相鄰的任意子對(duì)的一個(gè)交換序列，那么它們的軌跡線條看起來像辮子。該信息被編碼成「拓?fù)洹箤傩裕簿褪钦f，這個(gè)系統(tǒng)的集體屬性只能跟隨宏觀運(yùn)動(dòng)而不是小波動(dòng)來變化。
辮子的數(shù)學(xué)理論或許可以作為未來拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的基礎(chǔ)
微軟已經(jīng)研究拓?fù)鋬蓚€(gè)字計(jì)算十多年了，這其中所需要大多數(shù)量子比特都是假設(shè)的。為什么你們會(huì)堅(jiān)持到現(xiàn)在？
這是值得的，因?yàn)樗鼛淼暮锰幨蔷薮蟮模瑤缀鯖]有壞處。微軟是一家經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的公司。如果坐擁 1000 億美元的現(xiàn)金，你會(huì)投資什么呢？比爾蓋茨也投資了其他東西——根除瘧疾和艾滋病病毒——未來這些研究可能都會(huì)需要用到量子計(jì)算。比如基因?qū)W到目前為止一直借助的是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而 100-200 個(gè)量子比特計(jì)算機(jī)可能會(huì)給基因?qū)W研究帶來巨大的進(jìn)展。
微軟有多少人參與了量子計(jì)算研究，你們的投入是多少？
大約在 35 到 40 個(gè)人，但是我不想冒昧地談?wù)撡Y金的問題，也給不出大概的估計(jì)。
你們的團(tuán)隊(duì)一直在為這種量子計(jì)算機(jī)開發(fā)軟件，有什么成果嗎？
到目前為止，我們已經(jīng)有了一個(gè)令人驚訝的成果，創(chuàng)造出了一個(gè)更有效的算法，它能減少量子比特相互作用的次數(shù)，叫做門（gate），只需要運(yùn)行必要的計(jì)算，而這在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上是不可能的。比如，在本世紀(jì)初的那幾年里，人們認(rèn)為在量子計(jì)算機(jī)上計(jì)算植物在光合作用中用到的鐵氧還蛋白能級(jí)（energy level）大約 240 億年。現(xiàn)在通過理論、實(shí)踐、工程和仿真相結(jié)合，最樂觀的估計(jì)表明，這項(xiàng)計(jì)算可能只需要一小時(shí)左右。我們還在繼續(xù)解決這些問題，并逐步轉(zhuǎn)向更多的應(yīng)用工作，我們想到了量子化學(xué)、量子基因?qū)W，以及能在一個(gè)小到中等大小的量子計(jì)算機(jī)上解決的事情。
這算是占領(lǐng)先機(jī)嗎? 因?yàn)橐粋€(gè)可以處理這些問題的量子計(jì)算機(jī)可能是十年以后的事情。
過去的問題是，量子計(jì)算機(jī)在假設(shè)上會(huì)不會(huì)不傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)表現(xiàn)更好這樣的問題是不是問題。現(xiàn)在我們不僅想弄清楚它是不是可行的，還有如何實(shí)現(xiàn)它？我們需要闖過層層迷霧來解開這些問題，因?yàn)槲覀兿嘈潘旧韺?huì)成為一個(gè)完整的領(lǐng)域。