量子計(jì)算時(shí)代來(lái)襲 谷歌微軟IBM誰(shuí)能拔得頭籌？

（原標(biāo)題：The race to make the world's most powerful computer ever）

9月7日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，長(zhǎng)期以來(lái)量子計(jì)算機(jī)一直被吹捧為功能強(qiáng)大得令人難以置信的機(jī)器。相比于世界上現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)能夠以更快的速度解決極其復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。但目前還沒(méi)有就開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)的最佳方式達(dá)成一致。最終誰(shuí)將贏得這場(chǎng)比賽?

圖示：量子計(jì)算機(jī)能否揭開(kāi)我們身體和宇宙的奧秘？

計(jì)算機(jī)科學(xué)家說(shuō)，超高速量子計(jì)算機(jī)可以加速新藥物的研制，破解最復(fù)雜的密碼安全系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新材料，模擬氣候變化，以及實(shí)現(xiàn)超級(jí)人工智能。但目前業(yè)內(nèi)還沒(méi)有就如何研發(fā)量子計(jì)算機(jī)達(dá)成共識(shí)，對(duì)于其將如何用于大眾市場(chǎng)也尚未統(tǒng)一。世界各地的物理學(xué)家、工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家正試圖開(kāi)發(fā)四種非常不同類型的量子計(jì)算機(jī)，這些計(jì)算機(jī)分別是基于光粒子、俘獲離子、超導(dǎo)量子比特或鉆石中的氮空位中心。

圖示：量子計(jì)算機(jī)能夠在分子水平上幫助追蹤遺傳病。

IBM、谷歌、Rigetti、英特爾和微軟等公司目前都是量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先者。然而每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，但最大的挑戰(zhàn)是量子本身的脆弱性。

什么是量子計(jì)算?

經(jīng)典計(jì)算機(jī)采用比特在長(zhǎng)序列中表示開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)，而量子比特(或量子位)則應(yīng)用了亞原子粒子近乎神奇的特性。例如，電子或光子可以同時(shí)處于兩種狀態(tài)——這種現(xiàn)象稱之為疊加態(tài)。因此，基于量子比特的計(jì)算機(jī)可以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)以更快的速度完成更多計(jì)算。

“如果你有一臺(tái)雙量子比特的計(jì)算機(jī)，再添加兩個(gè)量子比特，它就變成了一臺(tái)四量子比特的計(jì)算機(jī)。然而它的計(jì)算能力遠(yuǎn)非提高一倍，而是以指數(shù)方式增加?！甭槭±砉W(xué)院科技評(píng)論(MIT Technology Review)舊金山分社社長(zhǎng)馬丁?賈爾斯(Martin Giles)解釋道。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家有時(shí)把這種量子計(jì)算效應(yīng)描述為能夠同時(shí)沿著非常復(fù)雜迷宮的每條路徑走下去。即便彼此之間沒(méi)有物理連接，量子比特也可以相互影響，這一過(guò)程被稱為“量子糾纏”。從計(jì)算的角度來(lái)說(shuō)，這使他們能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無(wú)法做到的邏輯飛躍。

尋求穩(wěn)定

但是，量子比特非常不穩(wěn)定，容易受到其他能源的干擾或“噪音”，從而導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。因此，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)競(jìng)賽的目的是找到一種方法，使其大規(guī)模量產(chǎn)能夠趨于穩(wěn)定。計(jì)算行業(yè)巨頭IBM堅(jiān)信“transmon超導(dǎo)量子比特”是量子計(jì)算機(jī)中最有前途的產(chǎn)品，他們有三個(gè)量子處理器原型機(jī)，公眾可以通過(guò)云進(jìn)行訪問(wèn)。

圖示：IBM的量子計(jì)算機(jī)所處的環(huán)境溫度維持在絕對(duì)零度左右。

“到目前為止，已經(jīng)有超過(guò)94000人通過(guò)云訪問(wèn)了IBM的量子計(jì)算機(jī)。他們進(jìn)行了500多萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，寫(xiě)了110篇論文?！?IBM研究院量子計(jì)算戰(zhàn)略和生態(tài)系統(tǒng)副總裁羅伯特·蘇托爾（Robert Sutor）博士說(shuō)。

“人們正在學(xué)習(xí)和試驗(yàn)……我們希望在三到五年內(nèi)能夠找出一個(gè)具體的例子，并說(shuō)明量子計(jì)算對(duì)于任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)能做的事情都有顯著改進(jìn)。”但是IBM的方法要求量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)在一個(gè)巨大冰箱里，量子比特被存儲(chǔ)在接近絕對(duì)零度的溫度下，以確保它們保持在可用狀態(tài)。這需要耗費(fèi)大量的能量，意味著要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的微型化非常困難。

圖示：谷歌開(kāi)發(fā)出了名為Bristlecone的72位量子比特處理器。

新加坡國(guó)立大學(xué)量子技術(shù)中心首席研究員約瑟夫?菲茨西蒙斯(Joseph Fitzsimons)表示:“超導(dǎo)量子比特似乎將成為首批實(shí)現(xiàn)有用量子計(jì)算的技術(shù)之一。”但他同時(shí)指出，“然而，我感覺(jué)是它們類似于早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的真空管，而不是后來(lái)出現(xiàn)的晶體管。我們可能還會(huì)看到另一項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)，成為最終的贏家?！?/p>

經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片是由硅制成的。當(dāng)其他團(tuán)隊(duì)正在研究如何在硅中捕獲量子比特時(shí)，微軟和哥本哈根Niels Bohr研究所的學(xué)者們正在研究一種基于所謂馬約拉納粒子(Majoranaparticles)的更穩(wěn)定量子比特。

同樣，牛津大學(xué)(Oxford University)計(jì)算機(jī)科學(xué)家們正在尋找將更小量子比特計(jì)算機(jī)連接起來(lái)的方法，而不是用大量量子比特創(chuàng)建更大規(guī)模的計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在看，似乎有很多方法可以觸碰到薛定諤的貓的皮膚。

經(jīng)典計(jì)算的潛力?

當(dāng)我們等待量子計(jì)算機(jī)的時(shí)候，傳統(tǒng)的，或者說(shuō)經(jīng)典計(jì)算的未來(lái)是什么?

今年7月份，德州大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)專業(yè)18歲畢業(yè)生埃文·唐(Ewin Tang)開(kāi)發(fā)出一種經(jīng)典的計(jì)算機(jī)算法，在國(guó)際計(jì)算領(lǐng)域掀起了波瀾，這種算法讓經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎可以像量子計(jì)算機(jī)一樣快速地解決問(wèn)題。

該問(wèn)題涉及開(kāi)發(fā)一個(gè)推薦引擎，根據(jù)用戶的偏好數(shù)據(jù)有針對(duì)性地推薦產(chǎn)品。

圖示：德州大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)專業(yè)18歲畢業(yè)生埃文·唐(Ewin Tang)開(kāi)發(fā)出一種經(jīng)典的計(jì)算機(jī)算法，可以讓經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎可以像量子計(jì)算機(jī)一樣快速地解決問(wèn)題。

歐盟最近宣布正在研制下一代計(jì)算機(jī)，其每秒鐘運(yùn)算能力或?qū)⑦_(dá)到十億次。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(UT Austin)理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯科特?阿隆森(Scott Aaronson)教授解釋道:“Exascale意味著每秒運(yùn)算能力達(dá)到10的18次方。”

“10的18次方已經(jīng)很大了。但是量子系統(tǒng)每秒鐘運(yùn)算速度能夠達(dá)到10的1000次方，這要大得多。”

經(jīng)典計(jì)算的問(wèn)題是，我們已經(jīng)達(dá)到了在一塊芯片上可以容納多少個(gè)晶體管的極限——例如蘋(píng)果的A11芯片就擠進(jìn)了43億個(gè)晶體管。

摩爾定律——每?jī)赡?，微處理器的速度將提高一倍，耗能減半，占用空間減半——終于要崩潰了。

量子躍遷

雖然目前所謂穩(wěn)定的量產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)仍然未能實(shí)現(xiàn)，但這項(xiàng)研究本身已經(jīng)產(chǎn)生了有趣的結(jié)果。

英國(guó)皇家學(xué)會(huì)(Royal Society)研究員、蘭卡斯特大學(xué)(University of Lancaster)量子技術(shù)中心(Quantum Technology Centre)主任羅伯特?楊(Robert Young)教授表示:“如果我們沒(méi)有投資于量子計(jì)算，激發(fā)埃文·唐(Ewin Tang)靈感的量子算法就不會(huì)存在。”

他說(shuō)，量子研究已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種將設(shè)備冷卻到低溫的新方法;此外還有基于光的芯片增強(qiáng)有效改善了光纖寬帶的體驗(yàn);以及片上實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)明，從而加速了疾病的診斷過(guò)程。

羅伯特教授表示:“登上月球的真正好處并不在于月球本身，而是周邊技術(shù)在登月過(guò)程中得到了發(fā)展?！崩缛蚨ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)衛(wèi)星導(dǎo)航和圓珠筆只是其中的幾個(gè)例子而已。（晗冰）

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