量子物理能否助微軟重拾輝煌？

Tom Simonite

量子物理能否助微軟重拾輝煌？

Tom Simonite

目前為止，微軟在該項目已投入幾乎十年的時間，現在開始了公開討論。如果項目成功，世界可因此發生巨大變化，而微軟這個業界廣泛認為困在過去輝煌歲月里的企業，將開啟新的未來。

2012年，荷蘭的物理學家們宣布了一項粒子物理學領域的新發現，該發現開啟了人們對諾貝爾獎的討論。他們在一根微小的半導體晶體棒（經過冷凍，比外部空間冷）內發現了可以確定1937年一項預測真實性的東西。這一進步好像與出售辦公效率軟件或在云計算方面與亞馬遜競爭等無關，但時任微軟技術和研究策略領導人的Craig Mundie十分高興。

該發現深奧難懂——微軟提供了部分資助與擔保——但對公司當時構建無限強大計算機的項目來說十分關鍵，公司設想該計算機可通過量子物理來處理數據。“當時正處在緊要關頭，”Mundie說。“這一研究給我們實現其中一種系統指明了道路。”

目前為止，微軟在該項目已投入幾乎十年的時間，現在開始了公開討論。如果項目成功，世界可因此發生巨大變化。自從物理學家Richard Feynman于1982年首次提出量子計算機的概念起，理論家們已證明這種機器可解決最快的傳統計算機需要億萬年或更長時間才能解決的問題。例如，量子計算機可為研究人員提供更好的工具來設計新藥物或超高效太陽能電池。量子計算機可能會徹底變革人工智能。

但在計算徹底變更方面的進步十分緩慢，因為沒人能創建出足夠可靠的量子計算機基本構件：通過量子效應進行數據編碼的量子比特或量子位。學術界和政府研究人員及IBM和惠普公司的企業實驗室都曾構建出該基本構件。他們將少量的基本構件連接在一起，最終制成的設備確實有很大提高。因為沒人能有效控制量子位的物理現象，使其成為實用型通用計算機的基礎。

微軟目前尚未構建出量子位。但在量子物理學領域可能出現的悖論中，微軟相較其他公司或機構來說，仍然能更早使量子計算機成為現實。微軟現在正在開發一種新型拓撲量子位，主要依據即2012年荷蘭物理學家們的那一發現。這一點可使人們充分相信其設計不會出現困擾當前各種量子位的不可靠性。而且其新設計還更適合大量生產。

“我們正在做的事類似于著手制造第一根晶體管，”微軟研究院院長Peter Lee說。他自己的公司也在研究怎樣設計與控制由拓撲量子位制成的計算機電路。微軟致力于量子計算機算法分析的研究人員已證明，僅由幾百個量子位構成的機器在化學模擬運行方面的能力超過當前任何一臺巨型計算機。

大約在明年，微軟支持的物理實驗室將根據一位戶外數學天才所開發的藍圖開始測試其量子計算機的關鍵部件。如測試能圓滿完成，微軟這個業界廣泛認為困在過去輝煌歲月里的企業，將開啟新的未來。

但有生手仍認為：處于傳說中但已漸漸淡出大眾視野的貝爾實驗室的物理學家可能首先完成這一點。

著眼重要節點

在距離太平洋100碼的一間陽光充沛的房屋內，住著微軟項目的倡導者和技術策劃Michael Freedman，他承認感到自卑。“開始思考量子計算時，你會發現你本身其實是一臺笨重的化學模擬計算機，”他說。

Freedman現年63歲，是微軟拓撲量子位創建研究小組Q站的主任，在圣巴巴拉市加利福尼亞大學起即在校園內的十幾個辦公室工作。

如果說Freedman的大腦是一臺笨重的化學計算機，那也是非凡的笨重計算機。他是一位數學天才，16歲時考入加州大學伯克利分校，兩年后畢業。30歲時，他解出了數學界未決時間最長的問題之一——龐加萊猜想。他在解題時不用寫、記下任何東西，在大腦內即可看到四維變形。“我通過論證就能看到自己的思路，”Freedman回憶道。他將自己大腦內看到的轉換成一本95頁的文件，最終獲得了數學界的最高榮譽——菲爾茲獎。

這鞏固了Freedman在拓撲領域及關于形狀特性（即形狀扭曲變形后，特性不會改變）學科方面的導航明燈地位。

有個老笑話說，拓撲學家無法區分咖啡杯和甜甜圈——因為二者表面均穿有單孔。但他的一位同事發現，描述節點拓撲的數學和解釋某些量子現象的理論之間存在某種聯系，之后（1988年），Freedman進入物理學領域。“這很美妙，”Freedman說。他隨即便發現，這種聯系使得由同一種量子物理控制的計算機能解決對傳統計算機來說太難的問題。當時，他并不知道量子計算的概念早已存在，反而獨立地再次提出并改進了這一概念。

Freedman持續研究關注這一概念，之后的1997年加入了微軟理論數學方面的研究小組。很快地，他和一位俄羅斯理論物理學家Alexei Kitaev結成了合作小組，Alexei Kitaev曾證明根據同樣物理規律形成的“拓撲量子位”可能比其他小組當時正在構建的更為可靠。Freedman最終感到自己開始逐漸熟悉原來純凈的深奧數學和物理范圍之外的東西，而這種東西絕對值得關注。

2004年，他出現在Craig Mundie的辦公室，并宣稱自己找到了構建可靠性足夠按比例放大的量子位的方法。“到最后我好像在做宣傳一樣，”Freedman說。“似乎只要你想開始建立這種技術，就能做到。”

Mundie最終購買了這項技術。盡管微軟當時還未曾試圖開發量子計算機，但Mundie知道該技術的巨大潛力及在構建過程中的緩慢進程。“我當時一下子就被這種想法吸引了，想想可能會有一種完全不同的方法，”他說。“這種計算形式極有可能成為新變革的基礎，類似過去60年來傳統計算方式為世界帶來的改變。”在神經有點緊張的Freedman掌舵的情況下，Mundie開始了創建拓撲量子位的努力。“我一生中甚至從未創建過一個晶體管收音機，”Freedman說。

遙遠的夢想

量子計算機在某些方面與傳統計算機的差別并不大。二者都是處理以比特為單位的二進制數據，且兩種機器均由代表比特的基本單位構成，在不同狀態間切換（類似開關）。傳統計算機中，芯片上的每個微小晶體管都可關閉（指示0）或打開（指示1）。

但由于量子物理學的古怪規律，且該規律在極微小等級上支配物質和能量的狀態，量子位可通過技巧大大提高晶體管的能力。一個量子位可進入一個迭加量子狀態，該狀態可同時代表0和1。處于迭加狀態時，量子位會具有連接性或“糾纏性”，即任何影響一個的操作都會立即改變另一個的命運。

由于迭加和糾纏，量子計算機內的單一操作會執行整個計算的部分內容，而對等量的普通位來說，這種計算通常需要更多操作才能完成。量子計算機本質上可找到大量可能的并行計算通道。就某些問題類型來看，量子計算機相較于傳統計算機的優勢呈指數增長，主要體現在其處理數據量上。

“我現在仍驚訝于量子計算機的能力，”Raymond Laflamme說，他是加拿大安大略省滑鐵盧大學量子計算研究所的執行董事。“它改變了計算機科學的基礎和關于計算的定義。”

在接下來的一年左右，微軟支持的物理實驗室將開始測試其所設計的量子位。

但量子純態十分脆弱，僅在小心、刻意的狀況下可觀察到并予以控制。為維持穩定的迭加狀態，必須保證量子位不會受看上去細小的噪音（如亞原子粒子的無規則沖撞聲）或附近電子器件產生的微弱電場的干擾。當前效果最佳的兩款量子位技術均代表陷在磁場內的單個帶電原子的磁性位或超導金屬電路內的微小電流，在消相干過程中崩潰之前，可保持迭加狀態不到1秒鐘。放在一起共同操作的量子位數最多僅七個。

2009年起，谷歌開始測試D-Wave Systems公司最先開始銷售的世界上第一部商業化量子計算機，2013年又購買了該計算機擁有512個量子位的版本。但這些量子位被硬連線，組成特定算法電路，從而限制了可解決問題的范圍。如果谷歌的測試成功，那么這種方法將創造出一種等同于鉗子的量子計算法——僅適用于某些任務。而微軟正在探索的傳統方法則使得完全可編程的計算機成為可能——相當于一個完整的工具箱。另外，獨立研究者們無法證明D-Wave發明的機器真的可當量子計算機來用。最近，谷歌開設了自己的硬件實驗室，試圖創造一種可轉換為成果的技術版本。

對擺脫消相干方法的探索及探索期間引入計算中的錯誤，已逐漸成為量子計算領域的主導現象。量子位要真正可伸縮，可能需要在大約百萬次操作內偶爾消相干一次，Chris Monroe說。他在美國馬里蘭大學任教授，同時是美國國防部及情報高級研究計劃署（IARPA）出資建設的量子計算項目的聯合領導者之一。現在，最佳的量子位通常都會消相干成千上萬次。

微軟的Q站可能有更好的方法。吸引Freedman進入物理界的那種量子狀態——在電子陷入某些材料的內部平面內時出現——應具備量子位構建者所渴望的穩定性，因為這些狀態對擾亂傳統量子位穩定性的多數噪音具有自然免疫力。在此類材料內部，電子在接近絕對零度的溫度下會呈現奇怪的性質，形成電子液體，而電子液體的共有量子特性可用來指示位。

微軟Q站設計的精致及其所具備的現金資助和設備、計算時間，吸引了不少世界頂尖的物理研究人員主動與微軟合作。當然，微軟不會告訴外界它每年高達110億美元的研發經費有多少投入到了該項目上。

但有趣的是，這一物理現象仍未經證明。要將電子液體的量子屬性用作位，研究人員必須操控電子液體內的某些粒子，即非阿貝爾任意子，保證其互相環繞。雖然物理學家們都期望非阿貝爾任意子真的存在，但目前為止還未真正檢測到一個。

微軟Q站及其合作方所權利尋找的非阿貝爾任意子——馬約拉納粒子——特別難以捉摸。1937年，避世隱居的意大利物理學家Ettore Majorana首次預測了馬約拉納粒子，不久后他便神秘地消失了。之后的數十年，這種粒子讓無數物理學家為之著迷，因為它具有一種獨特的性質，即自身便是反粒子。故，一旦兩個馬約拉納粒子相遇，二者會在瞬間能量碰撞中消滅彼此。

長久以來，沒人能提出可靠資料證明這種粒子存在，直到2012年，荷蘭代爾夫特理工大學的Leo Kouwenhoven在微軟資金支持與指導下，宣稱自己在半導體銻化銦制成的納米線內部發現了馬約拉納粒子。他將納米線連接到大塊超導電極的一段，電極另一端則連接普通線，進而生成正確的電子液體。該發現為微軟的設計提供了最強有力的支持。“這一發現使我們十分相信：我們確實已經掌握了某些東西，”微軟研究院院長Peter Lee說。Kouwenhoven的研究小組及其他實驗室現在正努力完善實驗結果，試圖表明這種粒子可掌控。為加快研究進程并盡快踏入大量生產階段，微軟開始與工業公司合作，以保證控制拓撲量子位所需的超導電子和半導體納米線的正常供應。

盡管如此，微軟始終沒有自己的量子位。必須找到一種使馬約拉納粒子在操作中互相環繞移動的方法，從而保證寫入0s和1s的當量。哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所的材料科學家們最近找到一種方法，構建帶分支的納米線，這種納米線可使一個粒子在另一個經過時閃避到邊側。Chalie Marcus從微軟的第一個設計開始即與其合作，現在他準備使用這種新型導線構建一個工作網絡。“這份工作會讓我們接下來的一年都忙忙碌碌，”他說。

如果成功，將證實微軟的量子位設計的有效性，同時可終結近來關于Kouwenhoven并未在2012年檢測到馬約拉納粒子的說法。但加利福尼亞理工學院一位理論物理教授John Preskill認為，拓撲量子位目前除了是一種很好的理論外，別無其他。“我對這一概念十分鐘情，但多年來的慎重研究仍未找到確鑿的證據證明其存在，”他說。

Willett所說的檢測到拓撲量子位的晶體

物理學競爭

新澤西州貝爾實驗室的Bob Willett說自己曾找到馬約拉納粒子存在的證據。他透過眼鏡，盯著一個指尖大小的漆黑色長方形晶體，晶體邊緣帶有手工焊接導線，表面則不滿細小的之字形鋁片。Willett稱在芯片中間小于1微米的區域內檢測到非阿貝爾任意子。如果他的發現正確，那么相較于和微軟一起工作的所有人，他都走得更遠。在他的系列小型實驗室內，盡管滿臉疲憊，Willett仍忙于構建即將成為世界首個的拓撲量子位（如果確實成功）。“我們現在正將科學轉化為科技，”他說。他的做法并非毫無根據，因為歷史上曾有類似先例。從他實驗室外沿著走廊一直走，會看到一個玻璃展示柜，里面放置著1947年在此處問世的世界首個晶體管。

Willett所用的儀器是微軟幾乎已經放棄的設計版本。微軟項目開始時，Freedman和同事就確定應該能利用將電子困入陷阱的超純砷化鎵的晶體來構建一種拓撲量子位。但經過四年的實驗，微軟支持的物理實驗室并未找到任何能最終證明非阿貝爾任意子存在的證據。Willett也曾在類似物理學方面研究數年，在看到一篇Freedman寫的關于該設計的文章后，他決定自己嘗試一次。

在2009到2013年期間，他撰寫了系列文章，報告期在自己的晶體儀器內發現了這些重要粒子。使用液態氦將一個晶體冷卻至低于1開爾文（-272.15°C），之后將其放到磁場內，此時晶體中心會形成一種電子液體。Willett通過電極，將粒子分布在晶體邊緣；如果這些粒子是與其位于中心的對應粒子相互環繞的非阿貝爾任意子，應該能整體上改變電子液體的拓撲狀態。他還公布了若干不同實驗的結果，在實驗中他發現了警示波動，這些波動理論家們曾在流動粒子電流中檢測到。

現在，Willett忙于構建量子位設計，這并不比他做的第一個實驗難到哪兒去：將兩個相同的電路緊接著放在同一晶體上，同時突出放置連接電子液體的電極；電極可編碼并讀出代表0s和1s當量的量子狀態。

Willett希望他所用的儀器能壓制外界對其實驗結果的懷疑，而他的實驗結果還無人能復制。微軟合作研究員Charlie Marcus說，Willett“看到了我們沒看到的信號。”Willett則反駁稱，Marcus和其他人所用的儀器太大，各晶體之間存在重要的特性差異。他說，他最近對其他研究人員所用的特定規格儀器進行了測試，測試結果證實了他的說法。“我用他們使用的材料做實驗，發現了他們止步不前的原因——用這些材料做研究真的讓人頭痛，”他說。

在美國電話電報公司作為美國電話業壟斷巨頭的地位未受挑戰前，其旗下的貝爾實驗室可謂如魚得水，研究員們可隨心所欲地做許多事情，但后來，貝爾實驗室為法國電訊公司阿爾卡特朗訊所有，相較于以前，現在的實驗室又小又窮。今年實驗室大樓的整個翼側被推到后，留下一片塵土飛揚且遍布痕跡的空地，Willett的辦公室正懸在這片空地之上。但因為實驗室的人員比以前少了很多，反而更方便使用需要的任何設備，他說。

同時，阿爾卡特也開始增加對其項目的投資。Willett曾經的合作人員僅三個物理學家，但最近他也開始跟一些數學家、光學專家一起工作。貝爾實驗室管理層曾問過少量的量子位可解決哪種問題。“這個項目已逐漸擴展到相對較大的規模，”他說。

Willett將自己看成微軟研究人員在學術方面的同事，而非企業競爭者。現在，他仍受邀參加Freedman兩年舉行一次的討論會，討論會要求微軟的合作人員及其他領頭物理學家們都聚集到圣巴巴拉市。但近幾次會議上，微軟管理層顯然態度比較明顯，Willett說，他有時會感到自己來自另一家公司的身份有點尷尬。

如果Willett戰勝微軟，首先證明微軟所支持的觀點真的正確，那他遇到的就不止是感到尷尬了。對微軟來說，打開一條通往量子計算的實際道路可能算是意外驚喜，而對逐漸沒落且上級公司甚至不屬于計算行業的貝爾實驗室來說，這一發現的效果絕對可用震驚來形容。

量子編碼

在微軟位于華盛頓州雷德蒙德市遍地落葉的園區內，數千名軟件工程師夜以繼日地忙于Windows和Microsoft Office軟件的漏洞修復及特征添加。游客們通常會在公司博物館內駐足，與一副真人大小的畫像合影，畫像是1978年時的比爾蓋茨和他的首批員工。在主研究樓內，Krysta Svore始終帶領著十幾個人，為可能永遠不存在的計算機軟件而奮戰。他們團隊的工作是，描畫第一代量子計算機能為人類做什么。

微軟建立該小組的原因是，量子計算機盡管強大無比，卻也無法解決每個問題。而且目前詳細開發出的、能表明在真實硬件上的實用性的量子算法很少。“量子計算可能極具破壞性，但我們需要了解它的能力體現在哪里，”Svore說。

“我們相信眼下是大有作為的機會，一旦成功，即能為創造全新的經濟奠定基礎。”

由于量子位的過冷方式，量子計算機永遠不會精致到正好裝入口袋（當然，除非有人能用量子計算機設計出更好的量子位）。相反，它用起來就像數據中心或通過因特網提供服務的巨型計算機，或用來解決其他技術無法解決的難題。很有前景的想法是，將量子計算機用于超強化學模擬，進而加快健康或能源等方面主要問題的解決速度。量子計算機能精確模擬現實，因此可取代多年來單調乏味的實驗室工作，Svore說。

據美國能源部統計，目前，美國巨型計算機運行時間中大約三分之一花費在化學或材料科學領域的模擬上。Svore的研究小組已研發出一套能使第一代量子計算機解決更為復雜問題的算法，如：現實中僅需幾小時或幾分鐘即可完成對用于空氣中二氧化碳清除的催化劑的測試。“這算是量子計算機的一種潛在殺手級應用，”她說。

實際上，專家們還能預見無數種其他殺手級應用。Svore團隊的某些已有研究成果能證明量子計算機可用于機器學習，而機器學習這項技術對微軟及其對手來說都越來越至關重要。近來，圖像和語音識別方面的研究進展引發了人工智能領域的新一輪研究風暴。但人工智能需要數以千計臺計算機一起工作，結果卻仍遠遠不如人類本身的能力。而量子計算機有可能克服這一技術的缺陷。

諸如此類的工作解釋了為什么第一家成功構建出量子計算機的公司將獲得人類科技史上前所未有的巨大優勢。“我們相信眼下是大有作為的機遇，一旦成功即能為創建全新經濟奠定基礎，”微軟研究院院長Peter Lee說。正如人們所預料，Peter和所有奮戰在量子硬件方面的人員對前景都很樂觀。但要做的還很多，成功的獎牌看起來依舊遙遠——就好像量子位技術就是改變世界的雄心和系列深奧難懂的研究論文的迭加。而這，便是致力于量子技術研究的工作人員每天必須面對的無法確切估量的東西。

不過，回報如此豐厚，誰還會責怪他們的瘋狂冒險和努力呢？

（來源：MIT Technology Review）