微软将研究实用规模量子计算

谢珊

近日，有媒体报道美国国防部高级研究计划局（DARPA）计划与微软合作，研究如何实现实用规模（utility-scale）的量子计算，致力寻求在量子技术方面占据全球领导地位。微软是被该部门选为探索非主流量子计算解决方案的3家公司之一。分析师表示合作开发大规模量子计算项目将是实现量子技术长期潜力的关键。

开发量子计算的几种技术路线

开发量子计算有很多种方法，目前还不清楚哪一种方法在未来几十年中占据主导地位。这场竞赛是为了实现可持续的、可扩展的容错处理，以完成传统超级计算机不可能完成或不可行的计算任务。DARPA正在投资开发目前尚未实现的量子计算想法，这些想法可能在未来达到实用规模。

尽管在金融和制药领域有一些早期的应用案例，但量子计算技术仍处于早期的研究和开发阶段。尽管有2项技术（即俘获离子和超导量子比特）最常被使用，目前并没有哪一项技术占据主导地位。在俘获离子量子处理器中，带电粒子悬浮在自由空间中，量子比特存储在每个离子的稳定电子状态中。这在包括Oxford Ionics、IonQ和Quantinuum在内的初创公司中很受欢迎，部分原因是它的量子比特的寿命较长，而且也是量子计算更成熟的方法之一。另一项主要技术是超导量子计算，该领域的一些大公司（例如IBM、谷歌、D-Wave、IQM等）都在采用这种技术，甚至微软也在使用。在这种方法下，超导电路被用来进行量子运算。这是最成熟的量子计算形式之一，可以提供比其他类型更多的量子比特，并且需要更少的能量。

除了这2种技术之外，还有其他一些公司正在开发其他方法，其中包括光子学、核磁共振、量子退火和拓扑量子计算。

DARPA攜手微软聚焦实用规模量子计算

拓扑量子计算是微软的一个新的重点，也是该公司将其作为DARPA达成合作伙伴关系的一部分进行探索的领域。另外Atom和PsiQuantum两家公司也将与DARPA合作，旨在探索量子技术如何扩展到计算价值超过成本的程度，并比传统预测的速度快得多。其中，Atom正在基于大型光学捕获原子阵列构建高度可扩展的量子计算机，而PsiQuantum正在使用基于硅光子学来建造基于光子量子比特晶格结构的纠错量子计算机。

微软Azure的量子团队正在构建一个基于拓扑量子比特的工业规模量子计算机。该公司表示，从理论上来说，这应该能够使他们制造出一个足够小的量子计算机，可以放在一个柜子里，计算速度足够快，可以在采用超过100万个量子比特解决以前无法解决的问题。

微软工程师在一篇博客文章中写道：“我们对这一设计充满信心，因为我们在物理学上取得了重大突破，为世界上第一个拓扑量子比特的工程设计扫清了一个主要障碍，最终构建了一个规模化的量子机器。”

微软没有像其他量子计算公司那样，一次只进行少量量子比特的小规模迭代更新，而是专注于开发更大规模的量子计算技术，其方法基于至少需要100万个量子比特来执行任何有用的计算。这也是促使DARPA与该公司合作的原因。作为其未探索的实用规模量子计算系统（US2QC）计划的一部分，DARPA希望减少没有进行探索的量子方法带来战略意外的危险。

DARPA国防科学办公室US2QC项目经理Joe Altepeter在一份新闻稿中解释说：“我们在2021年发出了一个呼吁，如果有人认为他们在不久的将来（10年以内）有一个真正革命性的方法来建造真正可用的量子计算机，我们希望听到他们的建议，并积极与他们合作，资助更多的技术专家加入开发团队，并为他们提出的解决方案提供严格的政府核查和验证。”

DARPA希望占据美国在量子计算领域领导地位

DARPA的最终目标是推动美国在一个具有重要战略意义的技术领域的商业领导地位，并确保国家安全，避免在其他国家在美国尚未广泛探索的领域领先时出现任何重大意外。

这3家公司将各自提出自己的设计概念，描述他们对实用规模量子计算机的计划，该计划将对所有系统和子系统进行严格的设计，一旦构建和测试完成，DARPA的测试和验证团队将对该概念进行更详细的评估，并将进入下一阶段，该阶段可能会看到这些机器在现实世界中的实现。

风险投资商OpenOcean合伙人Ekaterina Almasque是量子计算初创厂商IQM公司的早期投资者。她表示：“量子计算是一项长期投资，其发展在很大程度上依赖于政府部门和大型科技公司的研究预算，包括那些播种早期种子和培育生态系统的具有远见的组织。DARPA在突破性研究方面有着悠久的历史，他们认为规模是量子计算的关键因素，这一点很有说服力。我们现在还没有进入量子时代，但也没有像一些观察人士所说的那样处于灾难性的‘量子冬天。”

“我们所处的时代是一个令人兴奋的创新时代，任何事情都有可能发生。在这个时代，小型初创企业有机会取得突破，扩大规模，并与微软等科技巨头进行竞争。”她表示：“虽然距离量子霸权（量子计算机超越传统计算机的时刻）还有一段时间，我们可能短期内看不到功能完备的量子计算机，但预计未来10年将取得很大进展。”