微软正在打造一台量子计算机，该计算机可能在五年内成为Azure云的一部分。

该公司声称其在拓扑量子比特（量子计算的一种）领域处于领先地位，并指出，拓扑量子比特远没有竞争量子比特系统那么容易出错。

微软负责量子计算的副总裁Todd Holmdahl称：“我们正在努力实现拓扑量子比特，我们已经非常接近目标。目前我们正在研究低温过程来控制它，同时，我们还在研究3D纳米打印。”

“竞争对手将需要连接一百万个量子位，而我们的量子计算机只需要1000个，这关乎质量问题。”

根据Holmdahl表示，量子计算的好处在于，它的计算速度远远超过传统计算机。

他指出：“以RSA-2048挑战为例，如果你有一个由两个质因数组成的非常长的数字，那么，在传统计算机可能需要花费十亿年时间才能破解，但通过量子计算，RSA2048可在100秒内被破解。”

这种加速处理能力的出现是因为量子计算改变了信息存储方式。Holmdahl称：“在过去45000年，信息存储方式并没有太大改变，在晶体管中，我们存储零或者1。而对于量子计算，你可同时存储零和1.”

经典的二进制4位计算机可存储从000到1111（十进制从0到15）的16个可能的二进制数中的一个，而4位量子计算机可同时保存0000到1111之间的所有二进制数字组合。量子比特能够同时存储多个数字，这使得量子计算机能够比传统二进制计算机以更快的速度运行算法。

Holmdahl称，这种能力可用于新的研究领域，以量子化学为例，它可用来识别可分解地球大气层中温室气体的化学催化剂，或者加速氮循环以更快更节能地产生人造肥料的催化剂。

他指出：“量子计算是我们这一代人的技术。它将会改变当前局势，你会看到它在各个领域的应用。”那些精通线性代数的人会发现编程量子计算机更容易，而机器学习领域的人也会发现它更容易，因为数学原理相似。

拓扑量子比特

Holmdahl认为微软在量子计算方面有优势的原因在于，其研究人员已经接近破解所谓的拓扑量子比特，同时，他们还在哥本哈根尼尔斯玻尔研究所开发系统架构，其中量子比特以略高于绝对零度的条件下运行–30毫开尔文。极端寒冷可使干扰最小化。微软还为Visual Studio创建了高级语言Q#，并正在开发量子计算机模拟器，该模拟器可在本地个人电脑或Azure运行。

拓扑量子比特是微软量子计算工作的核心。这项工作于20年前在微软理论研究中心开始，当时数学家Michael Freedman加入该研究，Freedman因其在拓扑学领域的数学研究而闻名。

据微软称，Freedman在12年前开始推动量子计算，并得到该公司首席研究和战略官Craig Mundie的支持。

当时，Mundie称量子计算有些低迷。尽管物理学家们多年来一直在谈论构建量子计算机的可能性，但他们难以创造具有足够高保真度的工作量子比特以有效构建量子计算机。

根据Holmdahl表示，物理量子比特容易出错，所以它需要大约1000个才能构成一个“逻辑”量子比特–这个量子比特足够支持任何真正有用的计算。

量子计算研究人员发现，如果量子比特被破坏，它将会“退化”，这意味着它不再是可用于计算的物理状态。

根据微软表示，Freedman一直在探索拓扑量子比特更稳定的想法，因为其拓扑性质可能使它们更加稳定并提供更多先天的错误保护。

Holmdahl称，拓扑量子比特不太容易出错，这意味着它更多处理能力可用来解决问题而不是纠正错误。他表示：“你拥有的量子比特更多，错误就会越多。”这反过来意味着更多的量子比特必须连接在一起。

Holmdahl还表示，量子计算机可扩展的范围有理论极限，这是因为连接所有量子比特和处理错误的复杂性所致。他指出：“而我们采取了不同的方法，我们的错误率要低三至四个数量级。”

应用生态系统

Holmdahl称，微软已经开始应用量子计算来解决实际问题，例如，他们创建了一个“基于量子启发的优化”来计算出北京最低交通流量。

他继续说道：“经典（二进制）算法可以上下分析，分析流量的峰值和低值。而量子粒子如果没有被测量，可以在任何地方进行分析。我们模拟量子世界的原理，这样做可以更快地解决问题。”

实际上，该算法只是处理低流量信号并丢弃流量中的任何峰值。Holmdahl称该算法能够在标准PC运行，比加速硬件可更快地执行优化。

Holmdahl称，他预计这项技术将越来越多地用于解决计算上具有挑战的问题，但他也承认量子启发式优化并不能解决所有问题。他补充说：“我们需要一台真正的量子计算机来处理量子化学。”

在未来五年，我们将会看到量子计算初创公司和顾问的出现，他们将帮助企业解决复杂计算问题。