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| 本文作者： 奕欣 | 2018-03-29 14:30 |
雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論按：北京時(shí)間 3 月 29 日凌晨，微軟宣布了一個(gè)激動(dòng)人心的消息：荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的微軟研究員通過(guò)由半導(dǎo)體材料和超導(dǎo)材料制作的納米線材，發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子（Majorana fermion）的存在證據(jù)。這意味著微軟在構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的道路上又邁進(jìn)了一步。
馬約拉納費(fèi)米子是一種費(fèi)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，所以馬約拉納費(fèi)米子呈電中性，且很少與其他粒子相互作用，這些屬性或許使其成為一種更穩(wěn)定的量子信息編碼方式。
微軟早在 2005 年就已經(jīng)開(kāi)始鉆研量子計(jì)算技術(shù)。在當(dāng)時(shí)微軟還悄悄成立了「Station Q」實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)人是數(shù)字家 Michael Freedman。同年微軟的一支研究團(tuán)隊(duì)就提出了一種在半導(dǎo)體-超導(dǎo)體混合結(jié)構(gòu)中建造拓?fù)浔Ｗo(hù)量子比特的方法。微軟隨后投資了數(shù)個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行嘗試。他們近期的論文（以及貝爾實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)獨(dú)立研究）顯示了關(guān)鍵的任意子以電流的模式進(jìn)行移動(dòng)的「征兆」。
在 2016 年，微軟宣布計(jì)劃斥巨額資源開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)的原型產(chǎn)品，與 IBM 和谷歌等科技巨頭一同分這杯羹。
在研究上，微軟的選擇甚至更遙遠(yuǎn)：研究基于非阿貝爾任意子（nonabelian anyons）的拓?fù)淞孔颖忍?。這些所謂的任意子事實(shí)上并不是物體，而是一種具有物質(zhì)特性的準(zhǔn)粒子。它們的量子態(tài)由不同交叉路線（braiding paths）來(lái)表現(xiàn)。交叉路線的形狀導(dǎo)致了量子疊加，它們會(huì)受到拓?fù)浔Ｗo(hù)（topologically protected）而不至于崩潰，這類(lèi)似于打結(jié)的鞋帶不會(huì)散開(kāi)。
繼本次發(fā)現(xiàn) Majorana 粒子存在證據(jù)的研究之后，微軟下一步會(huì)將費(fèi)米子轉(zhuǎn)化為量子，并希望在今年年底實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在 5 年內(nèi)向其他企業(yè)提供可用的量子計(jì)算機(jī)。
微軟的這一論文已經(jīng)刊登在《Nature》上，雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論編譯如下：
Majorana 零模是一種局部化的準(zhǔn)粒子，對(duì)于拓?fù)淞孔佑?jì)算來(lái)說(shuō)具有很大的前景。其中電傳輸中的隧道譜是識(shí)別 Majorana 零模存在的主要工具，例如作為微分電導(dǎo)中的零偏壓峰。在絕對(duì)零度且通用電導(dǎo)值為 2e2 / h（其中 e 是電子的電荷，h 是普朗克常數(shù)）的條件下，作為 Majorana 對(duì)稱(chēng)（majorana 粒子的反粒子是其本身）的直接后果，零偏壓峰的高度將會(huì)出現(xiàn)量子化。Majorana 對(duì)稱(chēng)性能夠保持量子化免受無(wú)序、相互作用和隧道耦合變化的影響。
先前的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，顯示零偏壓峰值遠(yuǎn)小于 2e2/h，最近的一個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察顯示其峰值高度接近 2e2/h。而在這里，我們?cè)诟采w有鋁超導(dǎo)層的銦銻化合物半導(dǎo)體納米線上測(cè)量的零偏壓電導(dǎo)，顯示有一個(gè) 2e2/h 的量子化的電導(dǎo)平臺(tái)。盡管調(diào)整磁場(chǎng)和隧道耦合的參數(shù)后，我們的零偏壓峰值的高度仍然保持不變，這表明這確實(shí)是一個(gè)量子化的電導(dǎo)平臺(tái)。
此外，我們還通過(guò)調(diào)查它對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及溫度的魯棒性，排除了可能會(huì)導(dǎo)致這個(gè)量子化零偏壓峰的非 Majorana 源。對(duì)量子化電導(dǎo)平臺(tái)的這個(gè)觀察強(qiáng)有力地支持了系統(tǒng)中 Majorana 零模的存在，這為將來(lái)可能導(dǎo)致拓?fù)淞孔佑?jì)算的 braiding 實(shí)驗(yàn)鋪平了道路。
百度：成立量子計(jì)算研究所
2018 年 3 月 8 日，百度宣布成立量子計(jì)算研究所，悉尼科技大學(xué)量子軟件和信息中心創(chuàng)辦主任段潤(rùn)堯教授出任百度量子計(jì)算研究所所長(zhǎng)，直接向百度總裁張亞勤匯報(bào)。
依靠「百度量子、量子百度」的研究規(guī)劃，百度計(jì)劃在五年內(nèi)組建世界一流的量子計(jì)算研究所，并逐步將量子計(jì)算融入到百度業(yè)務(wù)中。
阿里：最早布局，2017 年聯(lián)合研發(fā)光量子計(jì)算機(jī)
阿里巴巴從 2015 年開(kāi)始就關(guān)注量子計(jì)算，并和中科院合作成立了亞洲首個(gè)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室。
2017 年 3 月，阿里云公布了全球首個(gè)云上量子加密通訊案例，通過(guò)建立多個(gè)量子安全傳輸域，為客戶提供無(wú)條件安全數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
2017 年 5 月，中科大、中國(guó)科學(xué)院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)、中科院物理所等協(xié)同完成參與研發(fā)了世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)。
期間，世界知名量子計(jì)算科學(xué)家、密歇根大學(xué)終身教授施堯耘和匈牙利裔美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家馬里奧?塞格德先后加入阿里云量子實(shí)驗(yàn)室。
2018 年 2 月，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院與阿里云宣布，11 量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算服務(wù)在量子計(jì)算云平臺(tái)上線。這是繼 IBM 后全球第二家向公眾提供 10 比特以上量子計(jì)算云服務(wù)的系統(tǒng)。
騰訊：籌劃建設(shè)量子實(shí)驗(yàn)室
2017 年 12 月，香港中文大學(xué)計(jì)算機(jī)系任副教授張勝譽(yù)以騰訊量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、杰出科學(xué)家的身份正式亮相。他表示，量子實(shí)驗(yàn)室將分別招聘量子方向和 AI 方向的相關(guān)人士，希望匯集跟量子相關(guān)的算法、復(fù)雜性、通訊、模擬、量子物理、量子化學(xué)等等各方面的人才，同時(shí)也看重量子力學(xué)和人工智能的結(jié)合。
D-Wave 和量子退火
2007 年，加拿大初創(chuàng)公司 D-Wave Systems 宣布，他們使用 16 個(gè)超導(dǎo)量子比特成功制成量子計(jì)算機(jī)，但是 D-Wave 的機(jī)器并沒(méi)有使所有的量子比特發(fā)生糾纏，并且不能一個(gè)量子比特接著一個(gè)量子比特得編程（be programmed qubit by qubit），而是另辟蹊徑，使用了一項(xiàng)名為「量子退火」（quantum annealing）的技術(shù)。該技術(shù)下，每個(gè)量子比特只和臨近的量子比特糾纏并交互，這并沒(méi)有建立起一組并行計(jì)算，而是一個(gè)整體上的、單一的量子狀態(tài)。D-Wave 開(kāi)發(fā)者希望把復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題映射到該狀態(tài)，然后使用量子效應(yīng)尋找最小值。對(duì)于優(yōu)化問(wèn)題（比如提高空中交通效率的）來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)很有潛力的技術(shù)。
英特爾和硅量子點(diǎn)
對(duì)量子計(jì)算最大的賭注恐怕來(lái)自英特爾：2015 年，它宣布將向荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子技術(shù)研究項(xiàng)目 QuTech 投資 5000 萬(wàn)美元。英特爾專(zhuān)注于硅量子點(diǎn)技術(shù)（silicon quantum dots），它經(jīng)常被稱(chēng)作「人造原子」。一個(gè)量子點(diǎn)量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態(tài)可以用 0 或 1 來(lái)表示。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要激光來(lái)困住它。
早期的電子點(diǎn)用幾近完美的砷化鎵晶體制作，但研究人員們更傾向于硅，希望能利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大產(chǎn)能。QuTech 技術(shù)負(fù)責(zé)人 Leo Kouwenhoven 說(shuō)：「我認(rèn)為英特爾屬意于硅，畢竟那是他們最擅長(zhǎng)的材料?！沟腔诠璧牧孔颖忍匮芯浚蟠舐浜笥谇艚x子和超導(dǎo)量子技術(shù)。
谷歌的超導(dǎo)量子研究
谷歌聘用了加州大學(xué)圣芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）的超導(dǎo)量子比特專(zhuān)家 John Martinis。他曾研究過(guò) D-Wave 的運(yùn)行方式和缺陷。在 2014 年，谷歌把整個(gè)加州大學(xué)圣芭芭拉分校研究團(tuán)隊(duì)的全部十幾個(gè)人都納入麾下。這之后，John Martinis 團(tuán)隊(duì)宣布，他們已經(jīng)建成了 9 量子比特的機(jī)器，當(dāng)時(shí)是目前世界上可編程的量子計(jì)算機(jī)中最大的之一，而且他們正在嘗試擴(kuò)大規(guī)模。為了避免大堆纏繞的電線，他們正在 2D 平面結(jié)構(gòu)上重建該系統(tǒng)。系統(tǒng)會(huì)鋪設(shè)在一塊晶圓上，所有控制電路都蝕刻在上面。
John Martinis 團(tuán)隊(duì)如今已有 30 名科學(xué)家和工程師。在 2016 年 7 月，他們用了三個(gè)超導(dǎo)量子比特來(lái)模擬氫分子的基態(tài)（ground state）能量，這展示了在模擬簡(jiǎn)單的量子系統(tǒng)上，量子計(jì)算機(jī)可以做到和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣好。Martinis 表示，這個(gè)結(jié)果預(yù)示了擁有「量子霸權(quán)」的計(jì)算設(shè)備的力量。他還認(rèn)為，谷歌一年造出 49 量子比特計(jì)算機(jī)的計(jì)劃很趕時(shí)間，但或許有可能實(shí)現(xiàn)。
而在近日，谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室今天發(fā)布了新的 72 位量子比特的量子處理器 Bristlecone。雖然目前還沒(méi)有看到具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但這塊芯片的未來(lái)有很大潛力，很有可能達(dá)成量子計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)的重要里程碑。
ionQ 和囚禁離子
與此同時(shí)，ionQ 的 Chris Monroe 正在試圖克服囚禁離子帶來(lái)的各項(xiàng)挑戰(zhàn)。作為量子比特，它們可以在幾秒鐘內(nèi)維持穩(wěn)態(tài)，這還多虧了真空裝置和在環(huán)境噪音影響下仍能將其穩(wěn)定的電極。但是，這些隔離措施意味著，量子比特之間的交互變得更難。Monroe 最近把 22 個(gè)鐿離子糾纏成一條線形鏈（linear chain），但至今，他還未能控制或查詢所有的離子對(duì)，而這是量子計(jì)算機(jī)必須做到的。
控制組合體的難度，會(huì)隨離子數(shù)目的增加指數(shù)級(jí)得升高。所以，加入更多離子是做不到的。Monroe 認(rèn)為，解決辦法在于使用模組化的設(shè)計(jì)，用光導(dǎo)纖維把囚禁離子群連接起來(lái)，每個(gè)囚禁離子群約有 20 個(gè)離子。若用該方案，每個(gè)模組中的某特定量子比特都會(huì)成為該離子群的中心，從群中其他量子比特那接受信息，并與其他模組分享。這樣，大多數(shù)離子會(huì)免于外部侵?jǐn)_。
IBM 與商業(yè)化
在商業(yè)化上走得更遠(yuǎn)的企業(yè)，IBM 可謂獨(dú)樹(shù)一幟。早在 2016 年，IBM 就開(kāi)發(fā)出了具有 5 位量子比特的量子計(jì)算機(jī)后，就把它提供出來(lái)作為量子計(jì)算云服務(wù)，供研究者使用。2017 年 11 月，IBM 宣布發(fā)布新型的 20 位量子比特的量子計(jì)算機(jī)，同樣作為云服務(wù)對(duì)外提供，并且是正式商業(yè)化的產(chǎn)品。
IBM 同時(shí)表示，他們的研究人員們已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出了一臺(tái) 50 位量子比特的原型機(jī)。以往觀點(diǎn)認(rèn)為達(dá)到 50 位量子比特的量子計(jì)算機(jī)就可以模擬傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的所有操作，因此，這可以算是量子計(jì)算機(jī)重要的里程碑，但它的商業(yè)化日程尚未可知。
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