量子計算機就要來了，它真的能改變世界嗎

（原標題：Serious quantum computers are finally here. What are we going to do with them?）

在位于紐約市以北約50英里處僻靜鄉(xiāng)村中的一個小型實驗室內(nèi)，天花板下纏繞著錯綜復雜的管線和電子設(shè)備。這一堆看似雜亂無章的設(shè)備是一臺計算機。它與世界上的任何一臺計算機都有所不同，而是一個即將開創(chuàng)歷史的里程碑式設(shè)備。

量子計算機的理論運行速度遠遠超出任何傳統(tǒng)的超級計算機。這種計算機或?qū)⑹沟萌藗冊谠訉用鎸ξ镔|(zhì)狀態(tài)進行模擬成為可能，從而可以重塑新材料技術(shù)；它們也可以通過無窮的算例破解現(xiàn)有的任何加密算法，重新定義網(wǎng)絡(luò)安全；它們甚至能夠通過對海量數(shù)據(jù)的有效地處理來增強人工智能的水平。

然而到現(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的逐步發(fā)展，研究人員終于離打造出真正的量子計算機無限接近了，其強大的功能足以打敗任何傳統(tǒng)意義上的計算機，這就是具有里程碑意義的“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）。目前來看，谷歌在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)導地位，而諸如英特爾和微軟等公司也都在努力前進，而包括Rigetti Computing，IonQ和Quantum Circuits等有雄厚資金支持的創(chuàng)業(yè)公司也在迎頭趕上。

但是在量子計算領(lǐng)域，沒有誰能夠和IBM相匹敵沒。早在50年前，IBM在材料科學方面取得了成績就奠定了計算機革命的基礎(chǔ)。這就是我為什么會在去年10月來到IBM的托馬斯·J·沃森（Thomas J. Watson）研究中心去嘗試尋找這些問題的答案：量子計算機到底有什么好處？我們是否可以打造一款實用的，可靠的量子計算機？

為什么說我們需要量子計算機

托馬斯·J·沃森（Thomas J. Watson）研究中心位于美國的約克敦海茨（York-town Heights），整個建筑的外觀看起來有點像上世紀60年代的飛碟想象圖。這座建筑由新未來主義建筑師小沙里寧(Eero Saarinen)設(shè)計，并在IBM大型機業(yè)務(wù)的鼎盛時期建造。當時IBM是世界上最大的電腦公司，在研究中心落成的十年內(nèi)，它已成為全球第五大公司，僅位于福特和通用電氣之后。

雖然站在建筑物的走廊里可以看到鄉(xiāng)村景色，但所有辦公室都沒有窗戶。我在其中的一間密室里見到了這是在我遇見查爾斯·貝內(nèi)特（Charles Bennett）的其中一間臥室里?，F(xiàn)年70多歲的貝內(nèi)特兩鬢斑白，身處舊電腦顯示器和各種化學模型的包圍之中。他回想起量子計算就像是剛剛發(fā)生在昨天一樣。

圖示：IBM研究中心的查爾斯·貝內(nèi)特（Charles Bennett）是量子信息理論的創(chuàng)始人之一，其在IBM的工作為量子計算機創(chuàng)造了理論基礎(chǔ)

當貝內(nèi)特于1972年加入IBM時，量子物理學的發(fā)展已經(jīng)有半個世紀的歷史，但整個計算科學仍然依賴于經(jīng)典物理學和克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon ）于20世紀50年代在麻省理工學院開發(fā)的信息數(shù)學理論。香農(nóng)根據(jù)存儲數(shù)據(jù)所需的“比特”數(shù)量（這是一個他普及但沒有確定的術(shù)語）來定義信息量。這些比特，也就是二進制碼的0和1是所有常規(guī)計算科學的基礎(chǔ)。

在抵達約克敦海茨一年后，貝內(nèi)特幫助奠定了量子信息理論的基礎(chǔ)，這將會挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計算科學。它以原子尺度上物體的特殊性質(zhì)為基礎(chǔ)。在這個微觀尺度下，粒子可以一次顯現(xiàn)出許多種狀態(tài)（例如，許多不同的位置），也就是“疊加”態(tài)。兩個粒子也可能表現(xiàn)出“量子糾纏”，因此改變一個粒子的狀態(tài)可能會瞬間影響到另一個粒子。

貝內(nèi)特和其他人意識到，在量子現(xiàn)象的幫助下，可以有效地執(zhí)行幾種耗時甚至不可能的計算。量子計算機會將信息存儲在所謂的量子比特，也就是量子位中。量子比特可以以1和0疊加的形式存在，并且可以使用量子糾纏和量子干涉來找到指數(shù)級大數(shù)據(jù)計算的解決方案。但是目前還難以比較量子計算機相比于經(jīng)典計算機到底有多大的計算優(yōu)勢，但粗略地說，只有幾百個量子比特的量子計算機能夠同時執(zhí)行的計算量要比已知宇宙中的原子數(shù)量更多。

1981年夏，IBM和麻省理工學院組織了一次名為計算物理第一次會議（First Conference on the Physics of Computation）的里程碑式活動。會議在距離麻省理工學院校園不遠的法國風格大廈Endicott House召開。

從貝內(nèi)特與會期間的一張照片中可以看出，計算科學和量子物理史上最有影響力的幾位大人物悉數(shù)出席了此次會議。其中包括開發(fā)第一臺可編程計算機的康拉德·楚澤（Konrad Zuse）以及量子理論的主要貢獻者理查德·菲利普斯·費曼（Richard Phillips Feynman）。費曼在會上發(fā)表了主題演講，其中提到了使用量子效應(yīng)進行計算的想法。 “對量子信息理論的發(fā)展幫助最大的就是費曼，”貝內(nèi)特告訴我，“他說，’自然是量子的，該死的！所以如果我們想模擬它，我們需要一臺量子計算機?！?/p>

IBM的量子計算機，也是現(xiàn)存最有前途的計算機，就位于貝內(nèi)特辦公室下面的的大廳里。該機器被用于創(chuàng)建和操縱量子計算機中的基本元素：存儲信息的量子比特 。

夢想與現(xiàn)實之間的差距

IBM的量子計算機利用了超導材料中發(fā)生的量子現(xiàn)象。例如，有時超導材料中的電子會同時進行順時針和逆時針的移動，這就是量子現(xiàn)象。 IBM的量子計算機使用了超導電路，其中兩個不同的電磁能量狀態(tài)組成量子比特。

超導方法具有關(guān)鍵優(yōu)勢。其中的硬件可以使用現(xiàn)有的完善制造方法制造出來，并且能夠通過傳統(tǒng)的計算機來控制整個系統(tǒng)。超導電路中的量子比特比單個光子或離子更容易操作，也沒有那么敏感。

圖示：IBM將量子計算機連接至云端

在IBM的量子實驗室里，工程師們正在研究一個具有50個量子位的計算機。你可以在一臺普通的計算機上運行簡單的量子計算機模擬系統(tǒng)，但是不可能模擬多達50個量子比特。這意味著IBM理論上正在接近量子計算機可以解決傳統(tǒng)計算機無法解決的問題奇點：換句話說，也就是量子霸權(quán)。

但正如IBM的研究人員告訴你的，量子霸權(quán)是一個難以捉摸的概念。你需要50個量子比特全部正常運行才能夠起作用，而實際上量子計算機卻被需要糾正的錯誤所困擾。在任何時間長度內(nèi)維持量子比特得狀態(tài)都非常困難;他們傾向于“退貨”，或者失去其微妙的量子特性，就像煙圈會在最輕微的氣流中散開一樣。而量子比特位越多就越發(fā)困難。

“如果你有50或100個量子比特可以正常運行，又能夠?qū)崿F(xiàn)完全糾錯，那么你就可以進行前所未有的計算，任何傳統(tǒng)計算機都無法復制的計算，”耶魯大學教授、Quantum Circuits公司的創(chuàng)始人羅伯特舍爾科普夫（Robert Schoelkopf）表示，“量子計算的另一個問題在于，它出錯的方式簡直是指數(shù)級的?！?/p>

另一個值得注意的問題是，即使是堪稱完美的量子計算機作用也并不明顯。它并不會簡單地加快任務(wù)處理速度;事實上，對于許多計算來說，量子計算機的執(zhí)行速度比傳統(tǒng)機器還要慢。迄今為止，只有少數(shù)特別設(shè)計的算法在量子計算機中具有顯著優(yōu)勢。即使對于這些算法來講，優(yōu)勢也往往是短暫的。最著名的量子算法是由彼得舒爾（Peter Shor）在麻省理工學院開發(fā)的關(guān)于計算蒸熟質(zhì)因數(shù)分解問題的算法。許多常見的密碼方案都依賴于傳統(tǒng)計算機難以實現(xiàn)的現(xiàn)實。但是密碼學可以進行自適應(yīng)調(diào)整，創(chuàng)造出不依賴于因數(shù)分解的新型加密代碼。

圖示：IBM量子計算機中的芯片所處環(huán)境被降至15開爾文

即便已經(jīng)接近50個量子比特的歷史臨界點，但IBM自己的研究人員依舊熱衷于消除關(guān)于量子計算機的炒作問題。在走廊上的一張桌子邊向外望去是郁郁蔥蔥的草坪，這里我遇到了Jay Gambetta，一位身材高大，性情隨和的澳大利亞人，他研究關(guān)于IBM量子計算機的量子算法和潛在應(yīng)用。 “我們處在這個獨特的階段，”他表示，小心翼翼地進行措辭， “我們的設(shè)備比你在傳統(tǒng)計算機上進行的模擬要復雜得多，但它的精度還無法控制，因為你并不十分清楚該如何應(yīng)對量子算法。”

賦予IBM研究人員希望的是這樣一種情況，那就是不完善的量子計算機也可能是有用的。

Gambetta和其他研究人員已經(jīng)注意到費曼在1981年設(shè)想的應(yīng)用?；瘜W反應(yīng)和材料性質(zhì)取決于原子和分子之間的相互作用。這些相互作用受量子現(xiàn)象的支配。量子計算機至少在理論上可以模擬出常規(guī)方法無法處理的那些模型。

去年，IBM研究人員Gambetta和他的同事們使用了7個量子比特的機器來模擬氫化鈹?shù)木_結(jié)構(gòu)。雖然僅僅只有三個原子，但它是用量子系統(tǒng)建模的最復雜分子。最終，研究人員可能會使用量子計算機來設(shè)計更高效的太陽能電池，更有效的藥物或可以將陽光轉(zhuǎn)化為清潔燃料的催化劑。

這些目標的實現(xiàn)還有很長的路要走。但是，Gambetta說，人們或?qū)⒛軌驈囊慌_與經(jīng)典計算機配對的易錯量子機器中獲得有價值的結(jié)果。

從物理學家的夢想到工程師的噩夢

“關(guān)于量子計算機概念炒作的積極作用是認識到量子計算實際上是真實的，”麻省理工學院教授艾薩克·莊（Isaac Chuang）如是指出， “它不再是物理學家的夢想，而是工程師的噩夢?！?/p>

在九十年代后期和二十一世紀初，莊在位于加州阿爾馬登的IBM公司工作，領(lǐng)導了早期量子計算機的開發(fā)。雖然現(xiàn)在莊不再從事相關(guān)工作，但他認為我們正處于一個巨大起點之上——量子計算最終將在人工智能中發(fā)揮作用。

但他也懷疑顛覆不會真正到來，直至新一代的學生和黑客開始使用實用的量子計算機。量子計算機不僅需要不同的編程語言，而且需要根本不同的思維方式來編程。正如Gambetta所說：“事實上，我們并不知道量子計算機上’Hello，world'的含義是什么?！?/p>

我們正在開始發(fā)現(xiàn)本質(zhì)。 2016年，IBM將一臺小型量子計算機連接到云端。用戶使用稱為QISKit的編程工具包可以在云上運行簡單的程序;從學術(shù)研究人員到小學生在內(nèi)的成千上萬的人都已經(jīng)開發(fā)了運行基本量子算法的QISKit程序?，F(xiàn)在谷歌和其他公司也在將他們的量子計算機聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)在你不能用量子計算機做很多事情，但至少可以嘗試一下可能會發(fā)生的事情。

創(chuàng)業(yè)社區(qū)對量子計算機也越來越興奮?？催^IBM的量子計算機后不久，我去了多倫多大學商學院，參加了量子創(chuàng)業(yè)公司的一場競賽。一群初創(chuàng)公司企業(yè)家向一群教授和投資者展示他們的想法。一家公司希望用量子計算機來模擬金融市場。另一個則計劃用量子計算機來設(shè)計新的蛋白質(zhì)。還有一個想要開發(fā)更高級的人工智能系統(tǒng)。一切皆有可能，但唯一可以得到確認的是，每個團隊的業(yè)務(wù)都建立在一種革命性的技術(shù)基礎(chǔ)上，而這種技術(shù)幾乎不存在。幾乎沒有人會因為這個事實而感到害怕。

如果第一臺量子計算機找到實際用途過于緩慢，那么這種熱情就會逐漸消散。那些真正了解對于諸如貝內(nèi)特和莊等真正了解量子計算機的專家來說，他們的最佳猜測是，第一批實用量子計算機的誕生還有幾年的時間。同時，這也要假設(shè)管理和操縱大量量子比特并不是一個棘手問題。

不過，專家們依舊抱著希望。當我問莊，當我兩歲的兒子長大以后，世界會變成什么樣子，他笑著回應(yīng)， “也許你的孩子將有一個能夠開發(fā)量子計算機的工具包?！保媳?/p>

生成海報

免責聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準確性及可靠性，讀者在使用前請進一步核實，并對任何自主決定的行為負責。本網(wǎng)站對有關(guān)資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負任何法律責任。任何單位或個人認為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識產(chǎn)權(quán)或存在不實內(nèi)容時，應(yīng)及時向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細侵權(quán)或不實情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。