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高層速讀：今日，微軟研究員在《Nature》上發(fā)文，稱他們了發(fā)現(xiàn)天使粒子——馬約拉納費米子（Majorana fermion）存在的有力證據(jù)，在由半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料制作的納米導(dǎo)線中，研究人員將電子分為了兩半。這項發(fā)現(xiàn)意義重大，可使量子信息的儲存更加穩(wěn)定，加速商用量子比特研發(fā)的進程，也是微軟在構(gòu)建量子計算機的道路上的又一進步。

還記得2018年1月末微軟在《金融時報》上立的flag嗎？

微軟稱將在接下來的幾周內(nèi)宣布量子計算里程碑式的重大突破。雖然已經(jīng)到了3月末，但微軟終究公布了他的進展。

今日，微軟研究員在《Nature》上發(fā)文，稱他們了發(fā)現(xiàn)天使粒子——馬約拉納費米子（Majorana fermion）存在的有力證據(jù)，在由半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料制作的納米導(dǎo)線中，研究人員將電子分為了兩半。

這項發(fā)現(xiàn)意義重大，由于量子位極不穩(wěn)定，特別「鬧騰」，極易與周圍物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；而馬約拉納費米子作為「天使粒子」，呈電中性，性質(zhì)比較穩(wěn)定，可以轉(zhuǎn)化為量子，是名副其實的「天使量子位寶寶」。它可使量子信息的儲存更加穩(wěn)定，加速商用量子比特研發(fā)的進程，同時也是微軟在構(gòu)建量子計算機的道路上的又一進步。

▲中間灰線是納米導(dǎo)線，綠色是超導(dǎo)鋁條

天使粒子是什么？

被稱為「天使粒子」的馬約拉納費米子是一種費米子，其反粒子（質(zhì)量相同，電荷等其他量子性質(zhì)相反）為它本身，因此馬約拉納費米子呈電中性，很少與其他粒子發(fā)生相互作用，性質(zhì)比較穩(wěn)定。

研究人員依靠量子位（量子比特）將信息存儲在量子計算機中，如經(jīng)典計算機中的比特（bits），但這些量子卻很不“安分”，它們時刻想和自己周圍的環(huán)境進行互動，與環(huán)境的糾纏會導(dǎo)致存儲在量子位中的信息丟失，因此研究人員希望這些量子保持在一種“真空”狀態(tài)，與各種各樣的噪聲相隔絕。而性質(zhì)相對穩(wěn)定的「天使粒子」的馬約拉納費米子可以轉(zhuǎn)化成量子，這從根本上加速了量子計算，也是構(gòu)建量子計算機的重要一步。

▲量子計算機示例

微軟量子計算業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Julie Love在接受采訪時談到：“我們的一個量子比特將會有1千個、甚至1萬個嘈雜的量子比特那樣強大?！辈⑶遥④浾J為，將在今年年底費米子轉(zhuǎn)化為量子，得到可工作的量子比特；并希望在5年內(nèi)向其他企業(yè)提供可用的量子計算機。

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老大哥終于「重出江湖」

在量子計算研究領(lǐng)域，微軟是開山最早的老大哥，是所有科技巨頭中最早啟動量子研究的企業(yè)。早在2005年，微軟就秘密成立了「Station Q」實驗室，由是拓撲數(shù)學家 Michael Freedman負責，并研發(fā)出了全球首個拓撲量子位。

在IBM發(fā)布了49量子比特的量子芯片后，谷歌發(fā)布了72量子比特的芯片，英特爾以及一些初創(chuàng)公司都研發(fā)出了一定數(shù)量量子比特的芯片，而微軟那時卻沒有動靜，看起來好像“落后了”？

究其不發(fā)布量子芯片的原因，微軟表示：量子芯片遠遠不夠！

據(jù)微軟研究院多位研究員表示，「微軟致力于構(gòu)建一個全面的、可拓展的量子計算生態(tài)系統(tǒng)，只擁有50或者100個量子位的量子計算機對我們來說是遠遠不夠的，我們希望量子計算機能夠拓展到數(shù)千、數(shù)萬、數(shù)十萬甚至更多的量子位，這樣才能夠解決全球最具挑戰(zhàn)性的問題?！?/p>

因此，微軟把研究方向放在了其他方面，諸如量子開發(fā)工具包和拓撲量子位的研究。

微軟量子開發(fā)工具包與拓撲量子位的研究

據(jù)微軟雷德蒙研究院首席研究員Krysta Svore表示，微軟希望將量子計算普及給更多的開發(fā)者。2017年，微軟發(fā)布了量子開發(fā)工具包，其中包括專為量子計算開發(fā)的Q#編程語言、一款量子計算模擬器，以及能夠幫助到量子程序開發(fā)者的其它資源。

因為量子計算機是一個與傳統(tǒng)計算機相結(jié)合的混合設(shè)備，可以被看作是傳統(tǒng)計算機的協(xié)處理器或者加速器，因此在量子計算機上面運行大部分代碼都可以用普通語言來編寫，然后通過調(diào)用Q#語言來運行在量子加速器中。量子算法和傳統(tǒng)算法有很大的區(qū)別，Q#編程語言可以讓開發(fā)人員輕松設(shè)置量子糾纏、疊加和干涉，從而降低量子程序開發(fā)門檻。

除了要降低量子程序的開發(fā)門檻，微軟更加致力于穩(wěn)定性更強、性能更佳的拓撲量子位的研究。

在上文中我們提到，量子位非常喜歡與周圍環(huán)境發(fā)生互動，使計算過程產(chǎn)生各種錯誤，因此研究員需要讓它們保持穩(wěn)定狀態(tài)，隔離周圍噪音。隔離系統(tǒng)的方法有很多種，但拓撲量子是目前已知最高水平的解決方案，這也剛好是微軟正在研究的內(nèi)容。

▲微軟雷德蒙研究院首席研究員Krysta Svore

關(guān)于拓撲量子位目前還沒有明確地定義，但微軟研究人員舉了一個形象的例子：假設(shè)你想建一棟摩天大樓，如果使用磚頭作為材料，會很慢、也很不堅固。這時候大多數(shù)人都會選擇使用鋼鐵，鋼鐵會讓大樓更加穩(wěn)定和堅固。拓撲量子位就像“鋼鐵”，具有穩(wěn)定性。

拓撲量子位可以更少的開銷、更少的資源、更少的時間獲得更加強大的計算能力和更多的量子位。通俗來說，拓撲量子位能夠少花錢，多辦事。并且如果要實現(xiàn)同樣的計算能力，拓撲量子位所需的量子位更少。

量子計算功能強大，但就像超級計算機一樣，不會取代經(jīng)典計算機，它只會被用來解決某一類特殊的問題，在人工智能、機器學習、醫(yī)學、健康、量子化學等方面才是量子計算機的用武之地，通常這些問題的解決需要經(jīng)典計算機花費數(shù)十億年的時間，而在量子計算機上，幾周、幾天、幾小時甚至幾秒鐘，難題就能迎刃而解。

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