微软宣布量子超算重大突破，公布路线图

据媒体报道，微软量子研究团队在创建可靠实用的量子计算机方面取得了第一个里程碑，并公布了其量子超级计算机的路线图，将多年来对拓扑量子比特的研究路径具体化。

量子计算的出现

量子计算机是一种基于量子力学原理的计算设备，能够利用量子比特（qubit）的并行性和叠加性进行超高速的计算。相比传统计算机使用的比特（bit），量子比特能够同时处于多种状态，使得量子计算机在某些特定问题上具有突破性的计算能力。

然而，目前的量子计算机仍处于早期阶段，面临许多技术挑战，如量子比特的稳定性、量子纠缠的保持、错误校正等。此外，量子计算机的规模和可靠性也需要进一步提高，以实现实际应用。

量子计算的出现，为经典计算机算力的跃迁带来可能。据IDC预计，2027年全球量子计算市场规模将达到107亿美元，较2017年相比，10年内增长超过40倍 ; 波士顿咨询发布的报告预测，在不考虑量子纠错算法的进展情况下，保守估计到2035年全球量子计算应用市场规模将达到近20亿美元，随后暴涨到2050年的2600多亿美元 ; 若量子计算技术迭代速度超出预期，乐观估计2035年市场规模可突破600亿美元，2050年则有望飙升至2950亿美元。

10年内造出量子超级计算机

此前，微软已经在拓扑量子位技术上取得了重大突破，该技术具有非常稳定的优点。微软高级量子开发副总裁Krysta Svore预计，将会在10年内完成量子超级计算机的构建，从研究突破走向功能性量子超级计算机。

从真空管到晶体管再到集成电路，基础技术的进步将会实现规模和影响的提升。随着行业的不断发展，量子硬件将会被归入到量子计算实施级别的三大类别：

· 一级（基础）：这类量子系统运行在受噪声影响的物理量子比特，包括所有当今的噪声中间规模量子（NISQ）计算机。

· 二级（弹性）：在可靠的逻辑量子位上运行的量子系统。

· 三级（规模）：量子超级计算机可以解决即使最强大的超级计算机也无法解决的重要问题。

为了达到规模，需要进行基础物理学的突破。微软已经实现了这一突破，并在美国物理学会的一份期刊中呈现了同行评审的数据。

这意味着微软已经实现了通向量子超级计算机的第一个里程碑 —— 可以创造和控制马约拉纳准粒子，向工程化新的硬件保护量子比特迈进。可以进一步设计出可靠的逻辑量子比特，达到弹性级别，然后逐步进展到规模化。

量子超级计算机将能够解决在经典计算机上无法解决的问题，并能够扩展以解决我们世界面临的最复杂问题。为了做到这一点，它必须既具备高性能又可靠。客户需要了解量子系统在解决实际问题方面的能力，从机器到网络开销都需要考虑在内。这就是为什么衡量超级计算机不能仅仅通过计算物理或逻辑量子比特来进行的原因。

微软表示，它创建了一种衡量量子超级计算机性能的新指标：每秒可靠量子操作（rQOPS），该数字描述了计算机在一秒钟内可以执行多少个可靠操作。微软认为，一台机器要有资格成为量子超级计算机，其rQOPS至少需要达到100万。此类机器可以达到10亿rQOPS，从而真正实现通用。

微软此次提出的“可靠量子机”是基于拓扑量子比特，有望实现高度稳定和可靠的量子计算。这种“可靠量子机”在保证错误率低于10的负12次方前提下每秒提供100万次可靠的量子操作（rQOPS），从而能真正实际解决问题。

（a）The linear tetron，一种用于进行聚变的最小装置，带有4个MZM。（b）Two two-sided tetrons，5 个拓扑部分。（图片来源：网络）

通过合适的“错误缓解”等技术，在不纠错的情况下，大概几百个量子比特即可在有现实应用的场景中实现量子优势，开启通往有用量子计算的道路。当然，如果采用容错量子计算的技术路线，预期仍需要十万个量子比特才能实现体现量子优势的通用量子计算。

同时值得注意的是，在量子计算机研发上，近期国际大公司纷纷宣布了计划或新进展。谷歌表示五年之内就会制造出来一款可用的量子计算机，将在一些特定的任务测试中战胜传统的计算机，并改善人工智能。

IBM则宣布计划在今年内向商业和研究机构提供商业量子计算机。不过，这些量子计算机不会带来量子优势，即性能上不会超过传统的计算机。和谷歌一样，IBM表示，未来几年他们可以达到“量子优势”的门槛。IBM研究副总裁Dario Gill说：“我们正在到达这个关键时刻。”

在接下来的几年中，IBM希望将这些机器能够扩展到50个量子位，远远超出现在通过互联网提供的5位量子机（免费提供）。该公司认为，在50个量子位的量级，量子计算机将比经典计算机系统能更好地处理一些特定任务。

中国在多条技术路线上并进

无独有偶，近日，“祖冲之号”量子计算总师朱晓波在接受专访时表示，大规模应用的量子计算机到来，大约需要10到15年的时间。

在量子计算的研究和产业化上，美国的进度领先全球，中国紧随其后且近年来发展逐步加快。与IBM、谷歌等公司采用超导量子路线不同，国内在量子计算机研发方面，超导量子计算平台、半导体量子计算平台、光量子计算平台等多条路径并进。

上述“祖冲之号”即为超导量子路线的代表。据悉，在光量子计算领域，中科大潘建伟团队发布了“九章”光量子计算原型机；在半导体技术路线上，本源量子打造了“悟空”量子计算机。

而半导体技术路线也是国外巨头看好的技术路径之一。近日，英特尔就发布了一种在主流CMOS工艺技术上构建的具有12个量子比特的量子芯片 —— Tunnel Falls。