微軟搞出全新新物態(tài)！量子計(jì)算機(jī)要起飛了？

2月20日消息，任何人只要上過小學(xué)三年級(jí)科學(xué)課就知道，物質(zhì)有三種主要物態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。如今微軟宣布在研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的過程中創(chuàng)造出一種新的物態(tài)。

與此同時(shí)，微軟推出了其首款量子計(jì)算芯片"Majorana 1"。該芯片在僅便簽紙大小的硬件上集成了8個(gè)量子比特，公司預(yù)計(jì)其最終可擴(kuò)展至容納百萬量級(jí)的量子比特。此外，微軟還發(fā)布了生成式人工智能工具M(jìn)use，該工具通過整合Xbox玩家數(shù)據(jù)及游戲手柄操作信息，能夠自動(dòng)生成視頻游戲場(chǎng)景。

量子計(jì)算機(jī)有望加速?gòu)碾姵刂圃?、藥物研發(fā)，再到人工智能等各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。當(dāng)?shù)貢r(shí)間周三，微軟科學(xué)家表示，他們基于這種新的物理相構(gòu)建出一種被稱為“拓?fù)淞孔颖忍亍钡男滦土孔颖忍兀捎糜诮鉀Q數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)難題。

量子計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域預(yù)計(jì)將成為繼當(dāng)下人工智能競(jìng)爭(zhēng)之后的下一場(chǎng)重大技術(shù)競(jìng)賽。這一進(jìn)展使得微軟在量子計(jì)算技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)更有利的地位。自20世紀(jì)80年代以來，科學(xué)家們就一直在追尋量子計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想——一種能夠利用亞原子粒子或極低溫物體奇異且強(qiáng)大行為的機(jī)器。

去年12月，量子計(jì)算領(lǐng)域熱潮再起，當(dāng)時(shí)谷歌公布了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性量子計(jì)算機(jī)，僅用時(shí)5分鐘就完成大多數(shù)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要10的24次方年才能完成的計(jì)算，這個(gè)時(shí)間比已知宇宙的年齡還要長(zhǎng)。

微軟的量子技術(shù)可能會(huì)超越谷歌正在開發(fā)的方法。作為研究的一部分，微軟在一種新型計(jì)算芯片內(nèi)構(gòu)建了多個(gè)拓?fù)淞孔颖忍?，這種芯片將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所用半導(dǎo)體和用于開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的超導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起。

當(dāng)這種芯片被冷卻到極低溫度時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出一些非同尋常且強(qiáng)大的特性。微軟認(rèn)為，這將使其能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無法解決的技術(shù)、數(shù)學(xué)和科學(xué)問題。微軟表示，這種技術(shù)不像其他量子技術(shù)那樣不穩(wěn)定，從而更容易發(fā)揮作用。

一些人質(zhì)疑微軟是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)突破。許多頂尖學(xué)者認(rèn)為，完全實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)可能還需要數(shù)十年時(shí)間。但微軟科學(xué)家們表示，他們的技術(shù)方法將幫助他們更早實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

領(lǐng)導(dǎo)這一技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的微軟技術(shù)研究員切坦·納雅克（Chetan Nayak）在接受采訪時(shí)表示，“我們認(rèn)為這只需要幾年時(shí)間，而不是幾十年。”

微軟相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)周三發(fā)表在科學(xué)期刊《自然》上，為這場(chǎng)可能重塑科技格局的競(jìng)賽增添了新動(dòng)力。量子計(jì)算機(jī)不僅能夠加速許多技術(shù)和科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展，還可能強(qiáng)大到足以破解保護(hù)國(guó)家機(jī)密的加密技術(shù)。

美國(guó)在通過微軟等大公司以及各類初創(chuàng)企業(yè)探索量子計(jì)算技術(shù)。中國(guó)已宣布將投資152億美元用于研發(fā)這一技術(shù)，歐盟也承諾投資72億美元。

量子計(jì)算基于數(shù)十年來對(duì)量子力學(xué)的研究，目前仍然是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性技術(shù)。然而，隨著微軟、谷歌等公司最近接連取得進(jìn)展，科學(xué)家們相信這一技術(shù)最終能夠兌現(xiàn)其承諾。

麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家弗蘭克·威爾切克（Frank Wilczek）說，“量子計(jì)算對(duì)物理學(xué)以及整個(gè)世界來說都是一個(gè)激動(dòng)人心的前景?！?/p>

要理解量子計(jì)算先要了解傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的工作原理。智能手機(jī)、筆記本電腦或臺(tái)式電腦都依賴于由半導(dǎo)體制成的微小芯片，這些材料在特定情況下導(dǎo)電，但在其他情況下不導(dǎo)電。芯片存儲(chǔ)和處理數(shù)字，進(jìn)行加法、乘法等操作。它們通過操控“比特”信息來執(zhí)行計(jì)算。每個(gè)比特要么表示1，要么表示0。

量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)作方式則不同。量子比特依賴于特原子粒子或極低溫物質(zhì)等材料的奇異行為。當(dāng)一個(gè)物體極小特?cái)?shù)冷時(shí)，可以同時(shí)表現(xiàn)得像兩個(gè)獨(dú)立物體。通過利用這種行為，科學(xué)家可以構(gòu)建出一個(gè)同時(shí)保持1和0狀態(tài)的量子比特。這意味著兩個(gè)量子比特?cái)?shù)id="re46113" style="background-color: #ffff04">特可以同時(shí)保存四個(gè)值。隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

各公司使用多種技術(shù)構(gòu)建這些機(jī)器。在美國(guó)，包括谷歌在內(nèi)的大多數(shù)公司采用超導(dǎo)體來構(gòu)建量子比特，這種材料在導(dǎo)電時(shí)無能量損耗。他們通過將金屬冷卻到極低溫度來制造超導(dǎo)體。

微軟則押注了一條鮮有人嘗試的道路：將半導(dǎo)體與超導(dǎo)體結(jié)合。1997年，俄裔美國(guó)物理學(xué)家阿列克謝·基塔耶夫（Alexei Kitaev）率先提出這個(gè)基本原理以及“拓?fù)淞孔颖忍亍钡拿Q。自2000年代初，微軟開始研究這個(gè)非常規(guī)項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)許多研究人員認(rèn)為這種技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)。這也是微軟持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的研究項(xiàng)目。

微軟首席執(zhí)行官薩蒂亞·納德拉（Satya Nadella）在接受采訪時(shí)曾表示，“這是我們公司三位CEO都押注的事情，”（微軟前兩首席執(zhí)行官分別是創(chuàng)始人比爾·蓋茨和2000年代初執(zhí)掌公司的史蒂夫·鮑爾默。）

如今，微軟已成功制造出一種由砷化銦（半導(dǎo)體）和鋁（極低溫下是超導(dǎo)體）組成的設(shè)備。當(dāng)溫度降至零下240攝氏度左右時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出一種超乎尋常的行為，可能為量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

哈佛大學(xué)物理學(xué)教授菲利普·金（Philip Kim）表示，微軟的新成果意義重大，因?yàn)橥負(fù)淞孔颖忍乜梢约铀倭孔佑?jì)算機(jī)的研發(fā)。他說，“如果一切順利，微軟的研究可能會(huì)帶來革命性突破?！?/p>

然而，加州理工學(xué)院理論物理學(xué)教授杰森·阿利西亞（Jason Alicea）質(zhì)疑微軟是否真的構(gòu)建了拓?fù)淞孔颖忍?，他認(rèn)為量子系統(tǒng)的行為常常難以證明。

“拓?fù)淞孔颖忍乩碚撋鲜强赡艿?，大家都認(rèn)可這是一個(gè)值得追求的目標(biāo)，”阿利西亞說?！安贿^，你必須驗(yàn)證設(shè)備是否真如理論所預(yù)測(cè)那樣表現(xiàn)出所有神奇行為；否則，量子計(jì)算的現(xiàn)實(shí)可能并沒有那么樂觀。所幸微軟現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行驗(yàn)證了?！?/p>

微軟表示，目前僅構(gòu)建了8個(gè)拓?fù)淞孔颖忍?，還無法執(zhí)行能夠改變計(jì)算本質(zhì)的計(jì)算任務(wù)。但微軟研究人員認(rèn)為，這是向更強(qiáng)大技術(shù)邁出的重要一步。

盡管科學(xué)家們正在開發(fā)減少錯(cuò)誤的方法，但目前量子計(jì)算技術(shù)仍然存在太多錯(cuò)誤，無法真正實(shí)用化。

去年，谷歌展示利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)技術(shù)，隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，可以指數(shù)級(jí)減少錯(cuò)誤數(shù)量。

許多科學(xué)家表示，如果微軟能夠完善其拓?fù)淞孔颖忍兀e(cuò)誤校正的復(fù)雜度和成本將顯著降低，效率更高。

盡管量子比特能夠同時(shí)保存多個(gè)值，但存在一個(gè)固有問題。當(dāng)研究人員嘗試讀取量子比特中存儲(chǔ)的信息時(shí)，它會(huì)“退相干”并坍縮為傳統(tǒng)比特，只能保存一個(gè)值：1或0。

這意味著，如果有人試圖讀取量子比特，它就會(huì)失去基本能力。因此，科學(xué)家們需要解決一個(gè)根本性問題：如果計(jì)算機(jī)每次使用時(shí)都會(huì)崩潰，那么該如何構(gòu)建它？

谷歌錯(cuò)誤校正的方法正是為了解決這個(gè)問題。微軟認(rèn)為，由于拓?fù)淞孔颖忍氐男袨椴煌?，理論上在讀取其存儲(chǔ)的信息時(shí)不太可能坍縮，因此可以更快解決這一問題。

“這使得它成為一個(gè)理想的量子比特，”納雅克說。（辰辰）

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