巨头押注、困难重重，科技行业离量子梦想还有多远？

编者注：本周一，微软宣布推出量子计算云服务。本文详述了该服务与谷歌和IBM目前正在开发服务的对比，与现存云服务的异同，该服务得以应用的难度，以及科技行业量子梦想普遍存在的阻碍。

据外媒报道，微软通过确保Windows在多种类型的硬件上运行，终于实现了它的目标。周一，微软在其Ignite大会上宣布了一项名为Azure Quantum的云计算服务，使人们可以在不久的将来通过云计算平台访问目前最奇异的硬件：量子计算机。

多家科技巨头正斥巨资进军量子计算领域，而微软正是其中之一。通过利用神奇的量子力学过程处理数据，量子计算有望实现前所未有的计算能力。目前，微软正准备推出的这项Azure Quantum云计算功能，预计将为部分客户提供3台量子计算机原型机的接入服务。这3台原型机分别来自工程巨头霍尼韦尔（Honeywell）和两家初创公司——美国马里兰大学量子计算初创公司IonQ，以及耶鲁大学量子计算初创公司QCI（Quantum Circuits， Inc）。

微软方面并没有表示这些量子计算机已经可以正式投入使用。现有的量子硬件功能尚且薄弱，但与竞争对手IBM和谷歌不谋而合的是，微软高管表示，开发人员和企业应该开始着手使用量子算法和硬件，以帮助业界更好地了解该技术的优势。

微软旗下量子计算研究团队Microsoft Quantum总经理Krysta Svore指出：“我们清楚的知道无法拿出一个通用的解决方案；我们需要的是一个全球性社区。”

微软的这项Azure Quantum新服务将与其先前发布的量子编程工具以及微软云服务相整合。编码器不仅可以在模拟的量子硬件上运行量子代码，也可以在霍尼韦尔、IonQ或QCI的真实量子硬件上运行量子代码。

周一，在美国佛罗里达州奥兰多市举办的2019年度Ignite大会上，微软正式宣布了这项新服务，并表示将于未来几个月内推出。该公司的合作伙伴也将在自己的设备中运行微软的量子计算机，但仍通过互联网将量子计算机连接至微软云服务。微软也有一个自主开发已久的量子研究项目，但目前尚未制造出任何量子计算硬件。

微软的Azure Quantum与IBM的一项服务有相似之处，后者从2016年开始提供免费和付费访问原型量子计算机的服务。上周，谷歌宣布公司旗下的一个量子处理器在计算方面超越了一台顶级超级计算机，达到了被称为“量子霸权”的里程碑。谷歌还表示将于不久向部分公司提供远程访问量子硬件的服务。

微软Azure Quantum服务的不同之处在于能让客户访问几种不同的量子计算技术，这或许是未来量子计算市场的一个方向。

由于量子硬件操作难度大，普遍认为大多数公司将通过云来获取这项服务，而不是购买或自己制造量子计算机。到目前为止，IBM和谷歌的服务仅限客户访问他们所开发的硬件。

“微软的模式更像现有的计算行业，云提供商允许客户从英特尔和AMD等不同的公司选择处理器。目前我们正处于量子计算产业发展的阶段，企业都想尝试尽可能多的东西。”美国量子计算初创公司Strangeworks的首席执行官William Hurley表示，该企业为程序员提供一种与IBM、谷歌和其他公司的量子计算工具进行构建和协作的服务。

微软的硬件合作商分别代表了两种领先但完全不同的量子计算机构建方式。霍尼韦尔和IonQ使用电磁场内的单个离子对数据进行编码，而QCI使用超导金属电路，后者的这种方法也受到IBM和谷歌的青睐。

微软的量子云模型的开发或许还能帮助在量子硬件方面取得成就，但却由于缺乏自己的云业务而难以吸引客户的企业，例如霍尼韦尔和几家财力雄厚的初创公司。微软合作伙伴IonQ的首席执行官Peter Chapman表示：“有了这一助力，我们能够更加专注于自己最擅长的领域，制造出一流的量子计算机。”这家初创公司的早期客户包括寄希望于量子计算机解决化学问题的陶氏化学公司（Dow Chemical）。

微软的量子云缺乏公司自主研发的量子硬件。微软的大型量子研究项目着眼于一种较为青涩的技术。微软认为从长远来看该技术更有益，但目前甚至尚未生产出可以进行幼儿园算术水平运算的芯片。

量子计算机的构建基于较为少见的设备——量子位（qubit）。与传统硬件中的组件一样，量子位依赖数据运行。但是，由于量子位将1和0编码为量子机械效应，正如亚原子粒子的自旋，量子位可以翻转为1和0叠加的第三状态。与当今人类世界中的任何事物均不同，该状态允许数学以常规计算机无法简化的方式进行计算。

科技行业的量子梦想面临的最主要挑战是，量子位非常不稳定。量子机械过程非常微妙，易受热或电磁噪声影响。IBM、谷歌和英特尔生产的最大芯片大约有50量子位。但目前尚不清楚这些设备是否能用少于一百万以上的量子位达到更高的使用质量。

对于微软而言，这场博弈的关键是预计将比现有量子位更稳定的拓扑量子位（topological qubit）。该量子位的基础是操纵一个长期理论存在但直到最近才被发现的亚原子现象，即马约拉纳零模（Majorana zero mode）。该模式以一位1938年神秘失踪的意大利物理学家的名字命名。

尽管已经发现了关键现象，微软仍未开发出拓扑量子位，虽然微软首席量子执行官Todd Holmdahl曾表示该量子位将于去年年底面世。微软量子硬件总经理、加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学教授Chetan Nayak则回应称，他的团队正在努力攻克难题，包括将数百万个未来量子位放置于硅片上所需的材料科学技术。他表示：“取得的进展令我们非常兴奋。”

对于当自主研发的量子处理器准备就绪，微软是否考虑其结束周一宣布的硬件合作伙伴关系的问题，Nayak给予了否定。但他表示微软考虑采用一种与笔记本电脑类似的策略，微软拥有自己的Surface品牌并支持竞争设备。他说：“我们期待多种形式的硬件能够共存一段时间。”

尽管缺乏自主研究的量子计算硬件，微软还是在周一发布了新的计算机芯片。但这款仍是传统芯片，不同之处在于其针对超低温环境运行，从而在量子硬件时代到来时控制相应的处理器。

此外，与谷歌和IBM当前的量子硬件一样，微软未来的量子位将需要在特殊的冰箱内冷却至接近零的绝对温度。创建一个能够在紧挨着量子处理器的情况下保持运行的计算机芯片，可以减少控制冰箱外部电子设备所需的大量线路。谷歌的量子芯片仅由外部电子设备控制，上周谷歌表示，布线是扩大其技术规模的主要挑战。