近日，微软因推出全球首个拓扑量子芯片Majorana1霸榜媒体头条，其实诺基亚的工业研究机构诺基亚贝尔实验室多年来一直在默默探索拓扑量子比特，将其作为实现实用量子计算的一条途径。
图：Majorana 1
来源：微软
拓扑量子比特比一些其他类型的量子比特要稳定得多，有望让量子计算机变得更小、成本更低，能够安装在数据中心的服务器机架中，从而使量子计算更易于实现实用化。
诺基亚贝尔实验室数据与设备研究主管Michael Eggleston表示，一旦攻克相关难题，拓扑量子比特将使制造商能够“在一枚银元大小的封装上集成一百万个量子比特”。 在接受IOT WORLD TODAY的采访时，Eggleston探讨了量子计算机目前面临的挑战、迄今为止在拓扑量子比特方面的研究进展、他的团队为实现拓扑量子比特实用化而旨在克服的技术障碍，以及诺基亚贝尔实验室对于解决这些挑战的计划表。
Q1：什么是拓扑量子比特，为何它们在量子计算领域具有如此大的潜力？
Michael Eggleston：拓扑量子比特是诺基亚贝尔实验室目前正在研究的一种新型量子比特。与传统量子比特不同，它们很脆弱，会在几毫秒内丢失量子信息，而拓扑量子比特利用了一种新的物理学原理，具备前所未有的稳定性。其独特的设计使其对温度波动和电磁干扰等环境干扰具有极强的抵御能力，甚至有可能稳定存在数小时、数天乃至数周。
图：Michael Eggleston
这种基于拓扑学的量子计算方法可能具有革命性意义，它能大幅缩小未来量子计算机的尺寸、降低成本，同时减少运维所需的资源。由于固有的稳定性，拓扑量子比特的错误率极低，这就无需在量子计算机中构建大量的冗余设计。这意味着量子计算机能够在变得更小的同时，能效更高、功能更强。
Q2：如今量子计算机面临的主要挑战是什么，拓扑量子比特如何解决其中的一些问题？
Michael Eggleston：目前量子计算机面临的主要挑战有三个，而拓扑量子比特可以缓解这些问题。
第一，当前的量子比特极不稳定，这需要大量的纠错开销，带来体积庞大、运行缓慢且能耗巨大等问题。而拓扑量子比特固有的稳定性能可将这些需求降低几个数量级。
第二，目前大多数量子比特体积相当大，通常在一个标准处理器上只能集成几千个。拓扑量子比特要小得多，有可能在单个芯片大小的处理器上集成一百万个量子比特，从而实现更紧凑的系统。
第三，拓扑量子比特使用数字控制信号，与大多数传统量子比特所需的模拟射频信号相比，数字控制信号在大规模生成时要容易得多，这进一步降低了复杂性和成本。
Q3：目前为止，诺基亚贝尔实验室在拓扑量子比特领域开展了哪些研究，取得了哪些重要成果？
Michael Eggleston：贝尔实验室在拓扑量子计算领域的研究，建立在对超纯半导体材料数十年的研究以及超冷物理学的基础进展之上。自十多年前首次展示拓扑态以来，我们在理解和技术能力方面不断取得进展，研发出了质量显著更高的器件，且测量得到的器件寿命可达数小时至数天。到目前为止，我们已通过实验展示了四种能支持拓扑量子比特的不同量子态。
Q4：诺基亚贝尔实验室目前专注于哪些技术进步，以加速实现量子计算的商业可行性？
Michael Eggleston：我们目前专注于实现完整的拓扑量子比特。这是一种能够执行一组通用计算门操作的器件，这些计算门可以改变其状态，其中包括哈达玛门（Hadamard gate）和相位门（Phase gate）。要执行这些操作，只需要三种电荷操控方式：
1. 将电荷从器件的一侧移动到一个称为“充电点”的中央电容器上； 2. 将电荷从器件的一侧移动到另一侧；3. 将一个充电点上的电荷与另一个充电点上的电荷进行交换。所有这些操控都是通过向器件中的不同电极施加一组协调的电压来实现的。我们已经展示了第一种操控方式，并且正在创新开发新的器件和控制方法，以实现第二种和第三种操控方式。
Q5：您认为拓扑量子比特的发展将如何改变量子计算机融入现有数据中心架构的方式？它们在未来的混合云产品中会发挥什么作用？
Michael Eggleston：目前的量子比特，哪怕是中等规模的量子计算机，都需要占据数据中心大小的建筑空间来安置，还需要配备所有支持它们运行的传统服务器。拓扑量子比特则可以大幅缩小量子计算机的体积，有可能使一整台量子计算机的大小与标准服务器机架相当。这将使其更容易融入数据中心，这一点非常重要：当量子计算机与CPU和GPU等其他类型的计算设备配合使用时，才能发挥出最佳性能。
Q6：您认为诺基亚贝尔实验室在塑造量子计算行业的未来方面将发挥什么作用，对于拓扑量子比特即将取得的进展，您最感到兴奋的是什么？
Michael Eggleston：贝尔实验室在量子创新方面有着悠久的历史，许多使量子计算成为可能的关键发现都归功于它。通信和计算密切相关，量子时代的核心计算设备，如量子比特，将在量子网络和量子传感器中发挥重要作用，这将直接影响诺基亚的业务。
我很高兴贝尔实验室在量子领域继续发挥如此重要的作用。我也对拓扑量子比特将催生的新应用感到非常兴奋，从能够解决能源、医学、材料等领域重要问题的大规模量子计算机，到我们感知周围世界和相互通信的新方式。
Q7：在未来五到十年内，哪些行业将从这项技术中受益最大？
Michael Eggleston：我认为量子计算最早的应用将开启化学和材料创新的新时代。比如设计室温超导体、研发更好的药物以及实现更可持续的工业化学流程，这些都是值得期待的早期应用。