據(jù)媒體報道，微軟量子研究團(tuán)隊(duì)在創(chuàng)建可靠實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)方面取得了第一個里程碑，并公布了其量子超級計(jì)算機(jī)的路線圖，將多年來對拓?fù)淞孔颖忍氐难芯柯窂骄唧w化。

量子計(jì)算的出現(xiàn)

量子計(jì)算機(jī)是一種基于量子力學(xué)原理的計(jì)算設(shè)備，能夠利用量子比特（qubit）的并行性和疊加性進(jìn)行超高速的計(jì)算。相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用的比特（bit），量子比特能夠同時處于多種狀態(tài)，使得量子計(jì)算機(jī)在某些特定問題上具有突破性的計(jì)算能力。

然而，目前的量子計(jì)算機(jī)仍處于早期階段，面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)，如量子比特的穩(wěn)定性、量子糾纏的保持、錯誤校正等。此外，量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模和可靠性也需要進(jìn)一步提高，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

量子計(jì)算的出現(xiàn)，為經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力的躍遷帶來可能。據(jù)IDC預(yù)計(jì)，2027年全球量子計(jì)算市場規(guī)模將達(dá)到107億美元，較2017年相比，10年內(nèi)增長超過40倍 ; 波士頓咨詢發(fā)布的報告預(yù)測，在不考慮量子糾錯算法的進(jìn)展情況下，保守估計(jì)到2035年全球量子計(jì)算應(yīng)用市場規(guī)模將達(dá)到近20億美元，隨后暴漲到2050年的2600多億美元 ; 若量子計(jì)算技術(shù)迭代速度超出預(yù)期，樂觀估計(jì)2035年市場規(guī)?？赏黄?00億美元，2050年則有望飆升至2950億美元。

10年內(nèi)造出量子超級計(jì)算機(jī)

此前，微軟已經(jīng)在拓?fù)淞孔游患夹g(shù)上取得了重大突破，該技術(shù)具有非常穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。微軟高級量子開發(fā)副總裁Krysta Svore預(yù)計(jì)，將會在10年內(nèi)完成量子超級計(jì)算機(jī)的構(gòu)建，從研究突破走向功能性量子超級計(jì)算機(jī)。

從真空管到晶體管再到集成電路，基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步將會實(shí)現(xiàn)規(guī)模和影響的提升。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，量子硬件將會被歸入到量子計(jì)算實(shí)施級別的三大類別：

· 一級（基礎(chǔ)）：這類量子系統(tǒng)運(yùn)行在受噪聲影響的物理量子比特，包括所有當(dāng)今的噪聲中間規(guī)模量子（NISQ）計(jì)算機(jī)。

· 二級（彈性）：在可靠的邏輯量子位上運(yùn)行的量子系統(tǒng)。

· 三級（規(guī)模）：量子超級計(jì)算機(jī)可以解決即使最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)也無法解決的重要問題。

為了達(dá)到規(guī)模，需要進(jìn)行基礎(chǔ)物理學(xué)的突破。微軟已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一突破，并在美國物理學(xué)會的一份期刊中呈現(xiàn)了同行評審的數(shù)據(jù)。

這意味著微軟已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通向量子超級計(jì)算機(jī)的第一個里程碑 —— 可以創(chuàng)造和控制馬約拉納準(zhǔn)粒子，向工程化新的硬件保護(hù)量子比特邁進(jìn)?？梢赃M(jìn)一步設(shè)計(jì)出可靠的邏輯量子比特，達(dá)到彈性級別，然后逐步進(jìn)展到規(guī)?；?。

量子超級計(jì)算機(jī)將能夠解決在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上無法解決的問題，并能夠擴(kuò)展以解決我們世界面臨的最復(fù)雜問題。為了做到這一點(diǎn)，它必須既具備高性能又可靠。客戶需要了解量子系統(tǒng)在解決實(shí)際問題方面的能力，從機(jī)器到網(wǎng)絡(luò)開銷都需要考慮在內(nèi)。這就是為什么衡量超級計(jì)算機(jī)不能僅僅通過計(jì)算物理或邏輯量子比特來進(jìn)行的原因。

微軟表示，它創(chuàng)建了一種衡量量子超級計(jì)算機(jī)性能的新指標(biāo)：每秒可靠量子操作（rQOPS），該數(shù)字描述了計(jì)算機(jī)在一秒鐘內(nèi)可以執(zhí)行多少個可靠操作。微軟認(rèn)為，一臺機(jī)器要有資格成為量子超級計(jì)算機(jī)，其rQOPS至少需要達(dá)到100萬。此類機(jī)器可以達(dá)到10億rQOPS，從而真正實(shí)現(xiàn)通用。

微軟此次提出的“可靠量子機(jī)”是基于拓?fù)淞孔颖忍?，有望?shí)現(xiàn)高度穩(wěn)定和可靠的量子計(jì)算。這種“可靠量子機(jī)”在保證錯誤率低于10的負(fù)12次方前提下每秒提供100萬次可靠的量子操作（rQOPS），從而能真正實(shí)際解決問題。

（a）The linear tetron，一種用于進(jìn)行聚變的最小裝置，帶有4個MZM。（b）Two two-sided tetrons，5 個拓?fù)洳糠?。（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

通過合適的“錯誤緩解”等技術(shù)，在不糾錯的情況下，大概幾百個量子比特即可在有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的場景中實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢，開啟通往有用量子計(jì)算的道路。當(dāng)然，如果采用容錯量子計(jì)算的技術(shù)路線，預(yù)期仍需要十萬個量子比特才能實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)量子優(yōu)勢的通用量子計(jì)算。

同時值得注意的是，在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)上，近期國際大公司紛紛宣布了計(jì)劃或新進(jìn)展。谷歌表示五年之內(nèi)就會制造出來一款可用的量子計(jì)算機(jī)，將在一些特定的任務(wù)測試中戰(zhàn)勝傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，并改善人工智能。

IBM則宣布計(jì)劃在今年內(nèi)向商業(yè)和研究機(jī)構(gòu)提供商業(yè)量子計(jì)算機(jī)。不過，這些量子計(jì)算機(jī)不會帶來量子優(yōu)勢，即性能上不會超過傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。和谷歌一樣，IBM表示，未來幾年他們可以達(dá)到“量子優(yōu)勢”的門檻。IBM研究副總裁Dario Gill說：“我們正在到達(dá)這個關(guān)鍵時刻。”

在接下來的幾年中，IBM希望將這些機(jī)器能夠擴(kuò)展到50個量子位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)在通過互聯(lián)網(wǎng)提供的5位量子機(jī)（免費(fèi)提供）。該公司認(rèn)為，在50個量子位的量級，量子計(jì)算機(jī)將比經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能更好地處理一些特定任務(wù)。

中國在多條技術(shù)路線上并進(jìn)

無獨(dú)有偶，近日，“祖沖之號”量子計(jì)算總師朱曉波在接受專訪時表示，大規(guī)模應(yīng)用的量子計(jì)算機(jī)到來，大約需要10到15年的時間。

在量子計(jì)算的研究和產(chǎn)業(yè)化上，美國的進(jìn)度領(lǐng)先全球，中國緊隨其后且近年來發(fā)展逐步加快。與IBM、谷歌等公司采用超導(dǎo)量子路線不同，國內(nèi)在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)方面，超導(dǎo)量子計(jì)算平臺、半導(dǎo)體量子計(jì)算平臺、光量子計(jì)算平臺等多條路徑并進(jìn)。

上述“祖沖之號”即為超導(dǎo)量子路線的代表。據(jù)悉，在光量子計(jì)算領(lǐng)域，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)發(fā)布了“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)；在半導(dǎo)體技術(shù)路線上，本源量子打造了“悟空”量子計(jì)算機(jī)。

而半導(dǎo)體技術(shù)路線也是國外巨頭看好的技術(shù)路徑之一。近日，英特爾就發(fā)布了一種在主流CMOS工藝技術(shù)上構(gòu)建的具有12個量子比特的量子芯片 —— Tunnel Falls。