微軟拓撲量子計算受阻，超級算力何時實現(xiàn)？

李冰

微軟量子計算實驗三年夢碎

三年前的3月，荷蘭物理學(xué)家兼微軟雇員萊奧·科文霍芬發(fā)表了一篇論文，表明他觀察到了一種名為馬約拉納費米子。這是個重要的發(fā)現(xiàn)，微軟希望利用馬約拉納費米子來構(gòu)建量子計算機，眾所周知，量子計算機可以通過物理學(xué)來實現(xiàn)前所未有的強大功能。鑒于競爭對手IBM和谷歌已經(jīng)使用了更成熟的技術(shù)構(gòu)建了不錯的原型機，科文霍芬這一發(fā)現(xiàn)使得微軟有希望迎頭趕上。微軟量子計算業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)朱莉·洛夫甚至告知英國廣播公司，微軟將在“五年之內(nèi)”推出一臺商用量子計算機。

2021年1月末，科文霍芬和他的21位合作者發(fā)表了一篇新論文，其中包括來自他們實驗的更多數(shù)據(jù)，結(jié)論是他們根本沒有找到珍貴的粒子。作者的附加說明稱，著名論文《自然》（Nature）上的原始論文將被撤回，理由是“技術(shù)錯誤”，這表明微軟對之前的物理發(fā)現(xiàn)宣告失敗。

匹茲堡大學(xué)教授謝爾蓋·弗羅洛夫說：“我不確定他們的想法是什么，但是他們跳過了一些與論文內(nèi)容直接矛盾的數(shù)據(jù)。從更全面的數(shù)據(jù)來看，毫無疑問，沒有馬約拉納費米子?！?/p>

眾所周知，我們的世界是由基本粒子組成的，而粒子世界有費米子和玻色子兩大家族。其中費米子是構(gòu)成物質(zhì)的基本材料，如組成質(zhì)子和中子的夸克、中微子等，而玻色子則是指傳遞作用力的粒子，如光子、介子、膠子、W和Z玻色子。

科學(xué)家們認為，每一種粒子都有它的反粒子，這些反粒子共同組成了反物質(zhì)世界，當物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時會產(chǎn)生巨大的能量而湮滅。 但是，1937年意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言，自然界中可能存在一種與其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是馬約拉納費米子。但是在過去的近80年中，尚未有科學(xué)家能夠證明這一預(yù)言的正確性，馬約拉納費米子也一直僅僅作為一種理論構(gòu)想存在于科學(xué)家的想象里。

由于馬約拉納費米子在量子計算領(lǐng)域以及解釋宇宙暗物質(zhì)問題方面的重要價值，世界各國有幾十個團隊都加入到尋找馬約拉納費米子的行列，為此，美國、荷蘭還設(shè)立了專門的基金，微軟作為科技公司自然也不吝投入大量經(jīng)費。

微軟團隊2018年的論文聲稱對發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子有堅決的證據(jù)，但結(jié)果卻顯得模棱兩可，盡管如此，科文霍芬及其在代爾夫特理工大學(xué)的實驗室還是聲名鵲起。當時的論文報道說，在通過超細的半導(dǎo)體導(dǎo)線的電流中，看到馬約拉納費米子的明顯特征，被稱為“零偏峰”。論文中的一張圖表顯示，圓點正好在理論預(yù)測的電導(dǎo)率值上達到平穩(wěn)狀態(tài)。

反對者弗羅洛夫說，他在已發(fā)表的論文中發(fā)現(xiàn)存在遺漏的數(shù)據(jù)點，表明不會存在馬約拉納粒子。弗羅洛夫標記的觀察結(jié)果在上個月發(fā)布的新論文圖表中可見，但文字并未解釋為什么以前將它們排除在外。

物理學(xué)家謝爾蓋·弗羅洛夫的推文質(zhì)疑2018年論文中的缺失數(shù)據(jù)

微軟方面提供了一份歸因于科文霍芬的聲明，解釋其團隊的新論文正在接受同行評審：“我們相信規(guī)模化量子計算將有助于解決人類面臨的一些最大挑戰(zhàn)，將繼續(xù)致力于在量子計算方面的投資?！?無論如何，馬約拉納費米子事件都挫敗了微軟在量子計算領(lǐng)域競爭的雄心，在此之前微軟寄希望該技術(shù)將實現(xiàn)科學(xué)和工程學(xué)方面的新突破，并定義未來。

俘獲物理學(xué)權(quán)威的量子計算

普通（傳統(tǒng)）計算機使用位的集合來表示它們的狀態(tài)。每個位明確為 0 或 1，如果您有 n 個位，則可能的狀態(tài)數(shù)量為 2n。1 個位可能為 2 種狀態(tài)中的任一個，2 個位可能是 4 個狀態(tài)中的任何一個，如此等等。內(nèi)存為 1MB 的計算機有1048576 種狀態(tài)，不包括 CPU 寄存器和外部存儲。這個數(shù)字很大，但它是有限的，可以計算。

量子計算機使用更復(fù)雜的數(shù)據(jù)表示，稱為qubit或量子位。每一個qubit可以處于狀態(tài)1或 0，但也可以處于1和0的疊加，這表示qubit同時處于兩種狀態(tài)。此類狀態(tài)可以通過包含一對復(fù)數(shù)的二維矢量指定，從而形成無限種狀態(tài)。每一個復(fù)數(shù)都是概率幅度，基本為 qubit 分別是0或1的概率。傳統(tǒng)計算機在給定時間可以處于這 2n 種狀態(tài)中的一種，但量子計算機可以同時處于所有狀態(tài)。

商業(yè)化該想法的主要挑戰(zhàn)是量子態(tài)很脆弱，容易被熱或電磁噪聲消除，從而使量子位容易出錯。為了跳過這個障礙，微軟設(shè)想的是一種拓撲量子計算機，這種架構(gòu)的特點就是穩(wěn)定，通過基本粒子的拓撲位置和拓撲運動來處理信息。就像遠古時代人類結(jié)繩記事，利用不同的節(jié)點繩子編織的（拓撲）結(jié)構(gòu)的不同代表不同的信息，無論如何晃動繩子（微擾），信息的存儲都是穩(wěn)定的。符合拓撲量子計算設(shè)想的基本物理粒子只有馬約拉納費米子，馬約拉納粒子的發(fā)現(xiàn)與否，直接決定了拓撲量子計算能否成功。

比特與量子比特

在微軟積極進行研究的同時，谷歌、IBM和英特爾都展示了約50量子比特的原型量子處理器，包括高盛和默克在內(nèi)的公司也在測試該技術(shù)。但是有用的工作可能需要成千上萬的量子比特，量子計算機的大部分功能可能必須專用于糾正其自身的故障，但任何一家公司都會不斷地用一些小成績來宣示量子霸權(quán)。

2020年8月28日，谷歌的量子計算機登上了《Science》封面，內(nèi)容是成功用12個量子比特模擬了二氮烯的異構(gòu)化反應(yīng)，這家巨頭宣布已達到一個稱為量子至上的里程碑，聲稱具有53個量子比特的芯片可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成統(tǒng)計計算，這將花費超級計算機上萬年的時間——這個實驗是在多項式時間內(nèi)實現(xiàn)了對一個隨機量子電路的采樣，對一個53比特20個cycle的電路采樣一百萬次，用目前人類最強的超級計算機同樣情況下則需要一萬年，量子計算機只需要200秒。

左邊圖是經(jīng)典計算機可以模擬的區(qū)域，右邊圖則是量子有優(yōu)勢的區(qū)域。紅色數(shù)據(jù)點為最復(fù)雜的電路，綠藍代表兩種稍作簡化后的電路

亦即在這個問題上，量子實現(xiàn)了對超算的超越，而量子上為啥會比超算好也非常容易理解，用到的就是量子運算的并行性，即量子態(tài)可以是疊加態(tài)可以在多項式時間內(nèi)遍歷整個希爾伯特空間（量子力學(xué)中，一個物理系統(tǒng)可以表示為一個復(fù)數(shù)希爾伯特空間，其中的向量是描述系統(tǒng)可能狀態(tài)的波函數(shù)），而經(jīng)典計算機模擬的話需要的資源則是隨著比特數(shù)目指數(shù)增加的。

技術(shù)突破還需耐心

有人提出，有沒有可能是有些更好的經(jīng)典采樣算法和量子的差不多，只是我們沒有找到呢？這里必須要認識到，我們離著實現(xiàn)量子計算的完全功力還有很遠的距離。硬件上有集成化的問題，比特數(shù)目增加后有空間不足等各種問題，遠遠不止我們圖中看到的一個小芯片那么簡單。再一個問題，比特數(shù)多了電路深度大了，怎么繼續(xù)提高保真度也是很大問題，最終實現(xiàn)容錯量子計算等等這些都是硬件上的挑戰(zhàn)。

與微軟研究人員合作的馬里蘭大學(xué)理論物理學(xué)家達斯·薩爾馬認為，目前的量子計算可能處于1926年晶體管第一項專利申請獲得批準的時刻，雖然專利得到認可，但直到1947年研究人員才制造出第一個工作晶體管，直到20世紀50年代末，才開發(fā)出了硅芯片的平面半導(dǎo)體組件，量子計算的技術(shù)可能還會花幾十年的時間，目前也并未有反面依據(jù)證明馬約拉納費米子不存在，這項頂尖運算能力作為全球科技熱點將依舊會高速發(fā)展。

谷歌 CEO 桑達爾·皮查伊和硅谷實驗室的量子計算機