Microsoft 加入量子计算的竞争

  • Sergio De Simone
  • 盖磊

2017 年 10 月 15 日

话题:IBM微软语言 & 开发

Microsoft 在Ignite大会上宣布了自己的量子计算新平台的预览版,并公开了借助近期粒子物理学方面的进展推出拓扑量子计算机的计划。

Microsoft 的量子计算平台预览版将包括一个量子计算模拟器,以及一种集成在 Visual Studio 中的量子计算编程新语言。据 Microsoft 介绍,该平台的拓扑量子比特计算执行时间更长、一致性更好并且误差更小。

在 Microsoft 的量子计算愿景中,还包括了一个可扩展的通用拓扑量子计算机,该计算机依然处于开发的早期阶段。Microsoft 的 CEO Satya Nadella 通过一个虚拟研讨会,深入阐明了 Microsoft 对量子计算的规划。研讨会的参与者是四位来自于 Microsfot 量子团队的成员,分别是计算机科学家 Krysta Svore、数学家和拓扑量子计算先驱 Michael Freedman、物理学家 Charlie Marcus 和 Leo Kouwenhoven,他们负责构建 Microsoft 的拓扑量子计算机。

拓扑量子比特是支撑 Microsoft 量子计算机的主要理念,据 Freedman 介绍,它是由一种新形物质构成的。该拓扑物质所存储的信息并非本地化于一个特定的位置,而是全局存在在整个拓扑结构中。这一属性的理念可以用一个绳圈解释。绳圈上可以打结,也可以不打结。要了解绳圈上是否打结了,我们不能借助于查看绳圈的任何本地属性,而是必须要查看其整体形态,即绳圈的拓扑。

该属性背后的物理现象是电子分数化(Electron Fractionalization)。分数化是一个分解电子的过程,表现为马约拉纳费米子(Majorana Fermions)是否存在于给定地点。马约拉纳费米子中编码了电子的原始信息,并扩展到整个物质中,构成物质的全局属性。Kouwenhoven 是 2012 年首次发现马约拉纳粒子的研究人员之一,据他介绍,马约拉纳粒子只能在非常低温的情况下观测到。它们是两个同步状态的量子叠加,一个状态是粒子存在,另一个状态是粒子不存在。全局存储信息的主要优点是防止出现本地误差。

要构建一个真正的拓扑量子计算机,一个基础步骤是让这些分数化的电子依此产生链式影响。这正是 Microsoft 量子芯片的基础部分,对此 Marcus 展示了一个原型。其中的一个挑战是找到一种能控制这种作用的方式,该方式无需测定作用过程,因为测定会破坏叠加效应。Microsoft 的解决方案是基于一种工作于 4K 温度的低温经典计算机(Cryogenic Classical Computer),它负责控制工作于 0.01K 温度的量子芯片。

据 Svore 介绍,在低温计算机上部署了 Microsoft 的软件栈,其中包括了一种领域特定语言,该语言是专门为编程可扩展的量子计算机和构建量子应用而设计的。下面的代码使用 Microsoft 的新量子语言编写,相当于实现“Hello World!”:

operation () EPR (Qubit q1, Qubit q2) {
    Body {
        H (q1)
        CNOT (q1, q2)
    }
}
operation () Teleport (Qubit msg, Qubit here, Qubit there) {
    Body {
        EPR (here, there)
        CNOT (msg, here)
        H (msg)
        let m_here = H (here)
        if (m_here == One) {
            X (there)
        }
        let m_msg = H (msg)
        if (m_msg == One) {
            Z (there)
        }
    }
}
operation (Result) TeleportTest (Result msg) {
    Body {
        mutable res = Zero
        using (qubits = Qubit[3]) {
            let msgQ = qubits[0]
            // 将 msgQ 设置为消息状态。
            SetQubit(msg, msgQ)
            Teleport (msgQ, qubits[1], qubits[2])
            set res = H (qubits[2])
        }
        return res
    }
}

新语言将完全地集成到 Visual Studio 中,并支持语法高亮、调试和测试。调试器将会显示系统量子状态随时间的演化情况。Visual Studio 还将提供一个可具有多至 30 个量子比特的量子模拟器。此外,Microsoft 还将提供更强大的基于 Azure 的模拟器,可提供多至 40 个量子比特。

近些年,我们已看到对量子计算领域的兴趣与日俱增,Microsoft 并非这一竞技场上的首位选手。其中最应关注的是,近期 IBM 发布了它的16 个量子比特处理器,以及称为“QISKit”的量子 SDK。此外,中国的研究人员也给出了里程碑式的重要研究成果

Microsoft 量子计算平台预览版有望于今年末发布。

查看英文原文: Microsoft Joining the Race for Quantum Computing

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