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活在實(shí)驗(yàn)室還是實(shí)現(xiàn)霸權(quán)？揭開當(dāng)前量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)展之謎

日期： 2018-03-28

關(guān)鍵詞： 量子計(jì)算互聯(lián)網(wǎng)

作者：Lee Gomes

機(jī)器之心編譯

參與：劉曉坤、黃小天、李澤南

隨著谷歌要在今年實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」等新聞的出現(xiàn)，社交網(wǎng)絡(luò)上最近出現(xiàn)了一個(gè)熱門的話題：當(dāng)前的量子計(jì)算技術(shù)前沿是什么水平？量子計(jì)算和人工智能一樣，是目前人類科技發(fā)展的重要方向。在摩爾定律逐漸失效的今天，科技巨頭和創(chuàng)業(yè)公司無不想使量子計(jì)算成為主流，但成功與否依然未知。本文作者探訪了數(shù)位一線研究人員，試圖為你揭開當(dāng)前人類量子技術(shù)水平的謎團(tuán)。

值得注意的是，其中大多數(shù)人都對目前量子計(jì)算技術(shù)的進(jìn)展持謹(jǐn)慎態(tài)度，正如其中一位科學(xué)家所說的：「我不認(rèn)為那些鼓吹量子計(jì)算機(jī)將很快能夠解決現(xiàn)實(shí)世界問題，或?qū)崿F(xiàn)商用化的人是完全誠實(shí)的。」

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IBM 的新量子計(jì)算機(jī)看起來像科幻電影中的道具；這些復(fù)雜的裝置是否有用依然不得而知。

你一定知道「薛定諤的貓」，那只同時(shí)處在生和死的狀態(tài)的貓。現(xiàn)在我們來認(rèn)識(shí)一下「薛定諤的科學(xué)家」，他們同時(shí)處在一種既高興又驚恐的怪異狀態(tài)之中。

薛定諤的著名思想實(shí)驗(yàn)再次以新的形式出現(xiàn)，因?yàn)榱孔友芯空哒幵谧巫巫非蟮某晒Φ娘L(fēng)口浪尖：打造一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法匹敵的量子計(jì)算機(jī)。數(shù)年來他們堅(jiān)持與認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)只不過是科學(xué)幻想的唱反調(diào)的人論戰(zhàn)，現(xiàn)在他們終于有了自我祝賀的資格。

但是同時(shí)他們也在抨擊媒體的炒作，后者過分夸大了量子計(jì)算的進(jìn)展。比如，《時(shí)代》雜志 2014 年 2 月 17 日量子計(jì)算專題中，編輯在封面上寫到：「無限機(jī)」（the Infinity Machine）如此具有革命性以至于其可解決人類一些最復(fù)雜的問題。自此之后，媒體的炒作之風(fēng)一發(fā)不可收拾。

科羅拉多大學(xué)波爾得分校的量子計(jì)算研究員 Graeme Smith 解釋了現(xiàn)今這一領(lǐng)域面對的難題，他說：「過去你在這一領(lǐng)域工作，如果你告訴每個(gè)人量子計(jì)算未來大有前景，那么你一定是個(gè)樂觀主義者；現(xiàn)在情況改變了，當(dāng)有人講量子計(jì)算機(jī)很快會(huì)解決所有問題時(shí)，我和同僚們簡直無法相信。大家爭先恐后地聲明量子計(jì)算機(jī)的用途，這看上起像極了一場惡性競爭。」

目前激動(dòng)人心的原因是，就在今年某個(gè)時(shí)候，量子計(jì)算有望取得一個(gè)里程碑式的成果。在谷歌和 IBM 研究小組的領(lǐng)導(dǎo)之下，科學(xué)家預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」。這意味著該系統(tǒng)能解決傳統(tǒng)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)沒有內(nèi)存或處理能力來解決的問題。

盡管標(biāo)題黨們一再宣稱量子計(jì)算的到來不可避免，但其成就相比炒作會(huì)打折扣。首先，谷歌用以運(yùn)行以展示量子霸權(quán)的算法并未做出任何實(shí)際重要的事情：超出目前任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力的問題。

構(gòu)建人們實(shí)際關(guān)心的、可解決實(shí)際問題的量子計(jì)算機(jī)需要長年的研究。谷歌和 IBM 的量子計(jì)算工程師說道，確實(shí)，能夠解決最棘手的計(jì)算問題的量子計(jì)算機(jī)可能還要再等數(shù)十年。

即使這樣，實(shí)際上該領(lǐng)域沒人會(huì)期望量子計(jì)算機(jī)取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)——盡管隨著摩爾定律失效，人們普遍相信量子計(jì)算時(shí)代呼之欲出。目前所有量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)都是將其與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)配對，執(zhí)行無數(shù)的預(yù)處理和后處理步驟。更重要的是，考慮到讓量子計(jì)算機(jī)工作的軟硬件開銷，現(xiàn)在許多可以在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上快速執(zhí)行的日常編程任務(wù)實(shí)際上在量子計(jì)算機(jī)上可能運(yùn)行得更慢。

曾在 NIST 工作多年，后來加入微軟雷德蒙德研究院的量子研究員 Stephen Jordan 說：「我并不認(rèn)為有人會(huì)希望量子計(jì)算機(jī)取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。」而且，量子計(jì)算機(jī)很可能只對現(xiàn)有計(jì)算機(jī)無法處理的、回報(bào)巨大的特定計(jì)算工作有幫助。

量子計(jì)算機(jī)的想法最早可追溯到諾貝爾獎(jiǎng)得主、物理學(xué)家 Richard Feynman 在 1981 年的一次演講，其中他設(shè)想了通過亞原子粒子的特有屬性建模其他亞原子粒子行為的可能性。曾工作于 AT&T 貝爾實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)在 MIT 的 Peter Shor 在 1994 年的論文《Algorithms for Quantum Computation: I Discrete Logarithms and Factoring》中提出了更好的設(shè)想：如果可以打造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，找到大數(shù)的質(zhì)因子，就可以破解常用的公鑰加密系統(tǒng)。這樣一臺(tái)計(jì)算機(jī)將從根本上瓦解互聯(lián)網(wǎng)。

這引起了很多人的關(guān)注，特別是涉及加密的美國安全機(jī)構(gòu)，他們很快開始投資量子硬件研究；在過去的二十年，政府開銷達(dá)數(shù)十億美元。現(xiàn)在量子技術(shù)更加接近商業(yè)化，風(fēng)投資本也開始行動(dòng)，這一現(xiàn)象與目前的量子炒作程度很相關(guān)。

那么，量子計(jì)算機(jī)到底是怎么工作的？

給出一個(gè)扼要而易懂的解釋并非易事，這就是為什么 2016 年 4 月加拿大總理 Justin Trudeau 成了極客英雄。在一次新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場（后來在網(wǎng)上迅速傳播開來），Trudeau 解釋道：「傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)只有 1 或 0，是二值系統(tǒng)；而量子態(tài)允許更復(fù)雜的信息被編碼進(jìn)單一比特。」

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IBM 的新量子計(jì)算機(jī)：Carl De Torres/StoryTK/IBM Cold-Hearted Computing，和谷歌的一樣，必須冷卻到接近絕對零度才能工作。降溫是通過稀釋制冷機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，如上圖所示。

量子計(jì)算機(jī)的主要構(gòu)件模塊是量子比特（qubit），任何量子性質(zhì)，例如電子能級、自旋或光子的量子態(tài)等都可以用來表征量子比特，只要系統(tǒng)可以將其隔離并控制它們。一個(gè)量子比特只有兩個(gè)狀態(tài)，而 n 個(gè)量子比特最多可以表示 2 的 n 次方個(gè)狀態(tài)。

例如，為了運(yùn)行一個(gè)特定程序，某些量子計(jì)算機(jī)使用電磁波脈沖序列來操控量子比特，每個(gè)脈沖都具有確定的頻率和確定的持續(xù)時(shí)長。這些脈沖就是量子程序的指令（門操作）。每個(gè)指令都導(dǎo)致未被測量的量子比特的狀態(tài)以特定方式進(jìn)行演化。

這些脈沖操作不僅僅在一個(gè)量子比特上進(jìn)行，而是在所有的量子比特上進(jìn)行，通常每個(gè)量子比特或每個(gè)集群的量子比特接收不同的脈沖指令。量子計(jì)算機(jī)的量子比特通過糾纏相互作用，糾纏使這些量子比特的狀態(tài)互相關(guān)聯(lián)。在這里最重要的是，對量子比特的狀態(tài)的相繼改變可以用于執(zhí)行有用的計(jì)算。

一旦量子程序完成執(zhí)行——數(shù)千甚至上百萬個(gè)激光脈沖的作用——量子比特將被測量以輸出計(jì)算的最終結(jié)果。測量操作使得每個(gè)量子比特變成 0 或 1，即量子力學(xué)中著名的波函數(shù)坍縮。

這是量子計(jì)算機(jī)開發(fā)中需要直接面對的工程問題，不僅僅是因?yàn)榱孔颖忍乇仨毰c外界隔離（哪怕只有輕微的干擾），至少在完成計(jì)算后的輸出結(jié)果階段也是非常重要的。這個(gè)困難也導(dǎo)致了直到最近幾年，最大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)也不過一二十個(gè)比特，并且只能運(yùn)行最簡單的算法。

由于噪聲的包圍，量子比特容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了解決這個(gè)問題，量子計(jì)算機(jī)需要額外的量子比特作為備份。如果一個(gè)量子比特失效了，系統(tǒng)將根據(jù)備份比特來將出錯(cuò)的比特恢復(fù)為合適的狀態(tài)。

這種糾錯(cuò)方法在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里也存在。但在量子系統(tǒng)中用于糾錯(cuò)的備份比特的數(shù)量要顯著多于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。工程師以此來評估可靠的量子計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)實(shí)用的量子比特可能需要 1000 個(gè)或更多的備份比特。由于很多高級算法都需要數(shù)千個(gè)量子比特來初始化，從而量子比特的總數(shù)量（包括糾錯(cuò)的備份比特）將很容易達(dá)到數(shù)百萬個(gè)。

與此相比，谷歌最近發(fā)布的量子計(jì)算芯片才包含 72 個(gè)量子比特，這些量子比特的實(shí)用價(jià)值取決于它們的出錯(cuò)率。

谷歌的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)由來自加州大學(xué)圣芭芭拉分校的一支被同時(shí)聘用的團(tuán)隊(duì)所領(lǐng)導(dǎo)。在去年的 11 月，IBM 宣布開發(fā)出了 50-qubit 的量子計(jì)算機(jī)。這兩個(gè)公司，以及 Rigetti Computing、英特爾（近期開發(fā)了 49-qubit 陣列），他們研發(fā)的量子計(jì)算技術(shù)都依賴于特殊設(shè)計(jì)的超導(dǎo)電路。這些芯片必須被保持在相當(dāng)?shù)偷臏囟龋枰獜?fù)雜的冷卻設(shè)備來維持運(yùn)作。

有一種完全不同的量子硬件架構(gòu)，其中的量子粒子即離子懸浮在室溫運(yùn)行的系統(tǒng)中。馬里蘭州大學(xué)園區(qū)的創(chuàng)業(yè)公司 IonQ 由杜克大學(xué)的物理學(xué)家 Jungsang Kim 和馬里蘭大學(xué)的 Christopher Monroe 成立，正在開發(fā)一臺(tái)使用這種方法的量子計(jì)算機(jī)，他們使用的是鐿離子。

微軟選擇探索第三個(gè)方向，即拓?fù)淞孔佑?jì)算，它在理論上很有潛力，但尚未出現(xiàn)真正可工作的硬件。

所有這些系統(tǒng)，與近年來最受公眾熟知的量子相關(guān)的計(jì)算平臺(tái)即加拿大的 D-Wave 系統(tǒng)，都沒有多少相似之處。雖然一些著名公司如谷歌和大眾汽車已經(jīng)購買了 D-Wave，但是量子研究社區(qū)中很多人都對此類設(shè)備抱有懷疑態(tài)度。那些科學(xué)家懷疑 D-Wave 是否能做經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能做的事，以及它們是否獲得了任何的量子加速。

谷歌-IBM-Rigetti 的超導(dǎo)量子計(jì)算方向目前在硬件開發(fā)上處于領(lǐng)先地位，但目前尚不清楚哪種形式的硬件將被證明是最先進(jìn)的，也許三個(gè)方向?qū)⒐泊妗τ诹孔泳幊萄芯空叨裕麄儾魂P(guān)心哪種設(shè)計(jì)將勝出，只要有量子比特可以用就夠了。

量子計(jì)算還有很多謎團(tuán)，其中一個(gè)就是量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)能增長多快。通過傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，摩爾定律長期以來一直確保計(jì)算機(jī)芯片的晶體管數(shù)量每兩年翻一番。但由于量子力學(xué)對電子行為的限制，摩爾定律已經(jīng)失效了。很多工程師預(yù)期在中期未來，我們將被限制在少數(shù)量子比特的技術(shù)水平上，可能在未來數(shù)百年都將如此。因?yàn)榱孔影詸?quán)的基本證明可能也無法提供任何有用的結(jié)果，并且成熟的系統(tǒng)還需要很多年才能實(shí)現(xiàn)，工程師正集中精力開發(fā)可用在近期的一般規(guī)模的量子系統(tǒng)的算法。

初步共識(shí)：雖然驚喜總是可能的，但進(jìn)步將是循序漸進(jìn)的。

「我不認(rèn)為那些鼓吹量子計(jì)算機(jī)將很快能夠解決現(xiàn)實(shí)世界問題，或?qū)崿F(xiàn)商用化的人是完全誠實(shí)的，」加州大學(xué)圣芭芭拉分校的物理學(xué)家 Wim van Dam 說。

自從 MIT 的 Shor 開發(fā)了他的第一個(gè)大數(shù)因式分解算法的 20 年來，量子計(jì)算已和密碼學(xué)密切相關(guān)。但是關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)加密系統(tǒng)被破壞的擔(dān)憂近年已有所緩和，部分是因?yàn)榱孔友芯可鐓^(qū)意識(shí)到能大規(guī)模運(yùn)行 Shor 算法的量子計(jì)算機(jī)還遠(yuǎn)未出現(xiàn)，部分是因?yàn)椤负罅孔蛹用堋辜夹g(shù)是可以不受任何形式的量子攻擊所影響的。即使到現(xiàn)在，NIST 仍在評估多種后量子加密基礎(chǔ)建設(shè)的候選方案。

與其對加密技術(shù)過于擔(dān)憂，研究者近期更關(guān)心使用量子計(jì)算機(jī)來對原子和分子建模，這正是費(fèi)曼對量子計(jì)算的最初洞見。用于模擬物理和化學(xué)系統(tǒng)的算法在 NIST 的 Quantum Algorithm Zoo 中是最數(shù)值化的部分，其價(jià)值是難以估計(jì)的，研究者說。想象一下，有一天當(dāng)我們用量子計(jì)算機(jī)模擬出室溫超導(dǎo)體的時(shí)候，世界將變成什么樣子。

這里也一樣，應(yīng)該避免不合理的炒作。馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Andrew Childs 預(yù)測，第一代量子計(jì)算機(jī)僅能求解相對簡單的物理和化學(xué)問題。「用這些有限的量子比特，你可以回答凝聚態(tài)物理中一些較簡單的人類也可能解答的問題，但對于高溫超導(dǎo)的理解，將需要非常多的量子比特。」

雖然研究者反對過分樂觀，他們也不排除量子計(jì)算的突破將使計(jì)算機(jī)的效率大大提高。越多的程序員將帶來越好的算法，這也是 IBM 為什么將其量子計(jì)算機(jī)上線云平臺(tái)的原因。

「我可以在這塊白板上寫下地球上每個(gè)量子算法研究者的名字，這才是我們的問題。」來自伯克利量子計(jì)算公司的 Chad Rigetti 斷言。「我們需要在算法開發(fā)上取得更多的進(jìn)展，為成千上萬的學(xué)生提供開發(fā)算法的機(jī)器，這樣才能促進(jìn)量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展。」

在他們看來，目前的研究者們對這個(gè)新興領(lǐng)域以及其中潛在的令人驚奇的發(fā)現(xiàn)非常感興趣，并樂在其中。

五臺(tái)量子計(jì)算機(jī)一覽

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