微软正投入巨资研发拓扑量子计算机,未来将会很快到来吗?
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微软正投入巨资研发拓扑量子计算机,未来将会很快到来吗?

把半导体和导体结合在一起,这就是微软自称的神奇配方的秘诀之一

2016-11-25 9:36:15


微软 正把大量的财力和工程资源投入量子计算这块试验田,尝试打造量子计算机,解决如今数字计算机力所不能及的问题。

量子计算机曾是科幻小说中的幻想。而如今,科技界越来越乐观地认为,这种超级强大的设备是有可能存在的——而且可能甚至是很实用的。如果量子计算机真的可以投入使用,药物设计、人工智能等领域都会受到影响。它还能帮助人们更好地理解现代物理的基础。

微软跳出纯理论研究,投入巨额资金开发可以使用的量子计算机原型设备,这一决定清楚展现了科技公司之间的全球竞争。同样处于这场竞争中的 Google 和 IBM 也在大笔投资,寻求突破。

在量子物理的迷人世界,微软选择了一条和对手们截然不同的道路。微软的开发方式以一种名为任意子(anyons)的“编织”粒子为基础。物理学家称,这种粒子只存在于二维空间。微软想要利用这种粒子组成超级计算机模块,开发利用亚原子粒子不同寻常的物理性质。

主要研究人员承认,要想制造有用的量子机器,目前还存在一些障碍,一是基础物理层面还有问题有待解决,二是研究人员还需要开发新软件利用量子位的特点。(量子位能够以现如今数字系统无法实现的方式进行计算。)

传统晶体管在同一时间只能有一种状态:代表数字 1 的接通或代表数字 0 的不接通。量子位则有所不同,它可以以一种叠加重合的形态存在——换句话说,它可以同时拥有两种状态。如果量子位和其他许多量子位处于“交缠”状态,物理上分离但看上去却像是深深纠缠在一起,那么它们就能同时指代大量的值。一台量子计算机将很有可能由百来个或数千个量子位组成。

2005 年微软就开始资助这一领域的研究了。当时,公司静悄悄地设立了一个名为 Station Q 的实验室,由数学家迈克尔·弗里德曼(Michael Freedman)负责领导。

托德·霍姆达尔(Todd Holmdahl)表示,微软认为,目前条件已经足够可以设计基本的量子位构建模块了,公司准备开始设计一台完整的量子计算机。霍姆达尔是一位经验丰富的工程经理,未来将会负责管理领导微软的这一项目。多年来,他负责了微软的很多项目,比如微软的 Xbox 电子游戏机和目前尚未发布的 HoloLens 增强现实系统。

霍姆达尔说:“一旦我们解决了第一个量子位的问题,我们就掌握了一张路线图,可以用一种更加简单的方式制造数千个量子位。”

不过,能够进行有用计算的量子计算机到底能不能被造出来,这点物理学家和计算机科学家们之间还存在分歧。

不少其他的研究项目也在尝试利用不同的材料和设计创造量子位。微软的方法被称为拓扑量子计算。今年, 诺贝尔物理学奖 被授予了三位在可能只存在于二维空间的物质形式上做出重要研究的 科学家 ,这为拓扑量子计算所仰赖的基础领域注入了新的力量。

霍姆达尔领导的这一项目团队成员还有代尔夫特理工大学(Delft University)的物理学家里奥·考恩霍白(Leo Kouwenhoven)、哥本哈根大学(University of Copenhagen)的物理学家查尔斯·M·马库斯(Charles M. Marcus)、悉尼大学(University of Sydney)的物理学家大卫·瑞雷(David Reilly)以及 E.T.H. Zurich 的马蒂亚斯·泰勒(Matthias Troyer)。

这些物理学家都将作为 “人工智能和研究小组”(Artificial Intelligence and Research Group) 的成员,加入微软公司。人工智能和研究小组是微软新近成立的一个团队,微软的顶尖技术员工沈向洋(Harry Shum)是团队的领导者之一。

微软新聘请的物理学家表示,过去两年间科学的进步给了科学家们越来越大的信心,他们相信微软有能力创造出更加稳定的量子位,因此他们才决定尝试打造拓扑量子计算机。

马库斯说:“把半导体和导体结合在一起,这就是我们神奇配方的秘诀之一。”他还表示,近来研究人员在控制用于形成量子位的材料的能力上取得了“重大突破”。另外还有一些令科学家头疼的问题,比如将量子计算机温度降至绝对零度。

目前为止,能够比如今的数字计算机更快解决问题、已经证实有效的算法相对较少。一项被称为“舒尔算法”(Shor’s algorithm)的早期算法可以用来分解数字因子,这就给了科学家们希望:量子计算机未来或许能够被用于破解密码。

这很有可能会带来惊天动地的后果,因为现代电子商务基础是建立在密码系统的基础之上的,而这套系统几乎是无法使用传统数字计算机破解的。除此之外,量子计算机可能还可以帮助我们更快地搜索数据库,执行用于发展计算机视觉技术与语音识别技术的机器学习算法。

不过,量子计算机更直接的影响在于,这些工具很可能会加深人们对物理的基本理解。早在 1982 年,物理学家理查德·P·费曼(Richard P. Feynman)思索量子计算机时就提到过这一可能性。

费曼博士曾说:“在我的梦想里,量子计算机将会是一种可以用来解决量子物理学问题的机器。”

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