關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展

經(jīng)典魔方有43 252 003 274 489 856 000種變化。你可能不解，人們?nèi)绾螌⒋騺y的魔方復(fù)原，讓每一面只有一種顏色。有些人甚至可以只看一眼打亂的魔方，然后蒙上眼睛來復(fù)原。這是完全有可能的，因?yàn)榇嬖谝惶谆疽?guī)則，通過至多20步即可復(fù)原魔方。

控制量子計(jì)算機(jī)好比是蒙上眼睛解魔方：初始狀態(tài)已知，且存在一組有限的基本元素（量子位），操控可以通過一套簡(jiǎn)單的規(guī)則——表示量子態(tài)向量的旋轉(zhuǎn)——來實(shí)現(xiàn)。但在操控期間查看系統(tǒng)會(huì)帶來嚴(yán)重后果：如果查看過早，計(jì)算將會(huì)失敗，你只能查看機(jī)器的最終狀態(tài)。

量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大在于系統(tǒng)可由眾多狀態(tài)組合而成。有時(shí)，這一事實(shí)也被用來論證建造或控制量子計(jì)算機(jī)是不可能的：論證的要點(diǎn)是，描述量子計(jì)算機(jī)狀態(tài)所需的參數(shù)數(shù)量太過于龐大。的確，控制量子計(jì)算機(jī)并確保其狀態(tài)不受各種誤差源的影響將是巨大的工程挑戰(zhàn)。然而，難點(diǎn)不在于其復(fù)雜的量子態(tài)，而在于確?；镜目刂?a target="_blank">信號(hào)的執(zhí)行完全準(zhǔn)確無誤，且量子位行為符合預(yù)期。

如果工程師能夠找到相應(yīng)方法，量子計(jì)算機(jī)終究會(huì)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的問題。量子計(jì)算機(jī)或許能夠破解被認(rèn)為無法破解的密碼，協(xié)助發(fā)現(xiàn)新藥，改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，解決復(fù)雜的物流問題，等等。

這些期望的確很高，科技公司和政府在量子計(jì)算機(jī)上押下數(shù)十億美元的賭注。但這仍然是一場(chǎng)賭博，量子力學(xué)效應(yīng)可帶來巨大能量，同樣也會(huì)使這些機(jī)器變得非常敏感，難以控制。

這種情況會(huì)持續(xù)下去嗎？傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別在于，量子計(jì)算機(jī)利用某些量子力學(xué)效應(yīng)，以違背直覺的方式操控?cái)?shù)據(jù)。我將簡(jiǎn)要介紹其中一些效應(yīng)。這些介紹應(yīng)足以幫助你了解工程方面的障礙，以及克服障礙的一些策略。

普通傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)操控位（二進(jìn)制數(shù)字），必須是0或1，而量子計(jì)算機(jī)操控量子位。與傳統(tǒng)位不同，量子位利用稱為“疊加”的量子力學(xué)效應(yīng)，使得量子位可處于疊加了一定數(shù)量“0”和一定數(shù)量“1”的狀態(tài)。描述一個(gè)量子位有多少“1”和多少“0”的系數(shù)是復(fù)數(shù)，它們含有實(shí)部和虛部。

在擁有多量子位的機(jī)器中，可以用一種極為特殊的方式來創(chuàng)造量子位，如此，量子位的狀態(tài)便不能獨(dú)立于其他量子位的狀態(tài)來描述。這種現(xiàn)象稱為“糾纏”。多個(gè)糾纏量子位可能存在的狀態(tài)比單個(gè)量子位的要復(fù)雜得多。

傳統(tǒng)的兩位只能被設(shè)定為00、01、10或11，而兩個(gè)糾纏量子位可將這4種基本狀態(tài)疊加。也就是說，一對(duì)糾纏量子位可存在一定數(shù)量的00態(tài)，一定數(shù)量的01態(tài)，一定數(shù)量的10態(tài)和一定數(shù)量的11態(tài)。3個(gè)糾纏量子位元可由8種基本狀態(tài)疊加而成。n個(gè)量子位可以是2n個(gè)狀態(tài)的疊加。對(duì)n個(gè)糾纏量子位進(jìn)行運(yùn)算等同于同時(shí)對(duì)2n個(gè)信息位進(jìn)行運(yùn)算。

對(duì)量子位進(jìn)行運(yùn)算類似于旋轉(zhuǎn)魔方。最大的不同之處在于量子旋轉(zhuǎn)從來都不是完美的。由于控制信號(hào)的質(zhì)量和量子位的靈敏度的某些限制，量子位旋轉(zhuǎn)90度的運(yùn)算最終可能會(huì)使其旋轉(zhuǎn)90.1度或89.9度。誤差看起來可能很小，但會(huì)迅速累加，導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的輸出。

另一個(gè)誤差來源是退相干：如果量子位離散，會(huì)逐漸丟失所含信息，失去糾纏。即便工程上用存儲(chǔ)量子位的物理基使其相互隔絕，在一定程度上量子位也會(huì)與其環(huán)境相互作用?？梢酝ㄟ^所謂的量子糾錯(cuò)來補(bǔ)償控制誤差和退相干的影響，但這樣做的代價(jià)很大，所需物理量子位的數(shù)量和所需處理的工作量都很高。

一旦克服這些技術(shù)上的挑戰(zhàn)，量子計(jì)算機(jī)將用于某些特殊類型的計(jì)算。執(zhí)行量子算法后，機(jī)器將測(cè)量出最終狀態(tài)。理論上講，該測(cè)量結(jié)果有可能解答傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在一個(gè)合理時(shí)間段內(nèi)無法解決的數(shù)學(xué)問題。

那么，如何設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)？工程上往往將機(jī)器的主要功能分解成若干子功能組，每個(gè)子功能組的性質(zhì)相似或性能相近。這樣，這些功能組易于映射到硬件上。在荷蘭QuTech公司，我和同事發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)所需的功能可基本分為5組，概念上由5個(gè)控制層表示。IBM、谷歌、英特爾等公司的研究人員也在采取類似策略，除此之外，建造量子計(jì)算機(jī)還可采用其他的方法。

現(xiàn)在來介紹這個(gè)5層的“蛋糕”，我將由頂層開始，這是對(duì)發(fā)生在硬件內(nèi)部深層繁瑣細(xì)節(jié)抽象的最高級(jí)別。

最上層是應(yīng)用層，它并不是量子計(jì)算機(jī)本身的一部分，但卻是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它表示組成相關(guān)算法所需的所有要素：編程環(huán)境、量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、用戶界面等。該層算法的組成可以是完全量子化的，也可以是傳統(tǒng)和量子的部分組合。應(yīng)用層不應(yīng)依賴于其下層使用的硬件類型。

應(yīng)用層的正下方是傳統(tǒng)處理層，它有3個(gè)基本功能。首先，它優(yōu)化運(yùn)行中的量子算法，并將其編譯為微指令，類似于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的CPU，對(duì)應(yīng)每條必須執(zhí)行的機(jī)器代碼指令，操作運(yùn)行眾多微指令。該層還處理由下層硬件返回的量子態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能會(huì)被反饋給傳統(tǒng)算法，得出最終結(jié)果。傳統(tǒng)處理層還將負(fù)責(zé)下層所需的校準(zhǔn)和調(diào)諧。

傳統(tǒng)處理層之下是數(shù)字處理層、模擬處理層和量子處理層，它們共同組成量子處理單元（QPU）。量子處理單元的3層之間有著緊密的聯(lián)系，每一層的設(shè)計(jì)很大程度上取決于另外兩層的設(shè)計(jì)。從上往下，我將更全面地介紹構(gòu)成量子處理單元的這3層。

數(shù)字處理層將微指令轉(zhuǎn)換成脈沖，這是操控量子位作為量子邏輯門所需的信號(hào)。更準(zhǔn)確地說，該層僅僅提供了模擬脈沖的數(shù)字定義。模擬脈沖本身是在量子處理單元的模擬處理層中產(chǎn)生的。數(shù)字層還將量子計(jì)算的測(cè)量結(jié)果反饋給上面的傳統(tǒng)處理層，使量子解與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果相結(jié)合。

當(dāng)前，個(gè)人計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列可以處理這些任務(wù)。但是當(dāng)糾錯(cuò)加入到量子計(jì)算機(jī)中時(shí)，數(shù)字處理層將不得不變得更加復(fù)雜。

模擬處理層產(chǎn)生發(fā)送給下一層量子位的各種信號(hào)，主要有電壓階躍和掃描以及微波脈沖串，經(jīng)相位和幅度調(diào)制，執(zhí)行所需的量子位運(yùn)算。在運(yùn)算過程中，量子位連接形成量子邏輯門，進(jìn)而按照正在運(yùn)行的特定量子算法共同進(jìn)行整體計(jì)算。

雖然技術(shù)上生成此類信號(hào)并不困難，但管理實(shí)用量子計(jì)算機(jī)所需的眾多信號(hào)存在重大障礙。首先，發(fā)送給不同量子位的信號(hào)需要在皮秒級(jí)時(shí)間尺度上同步。需要一些方法來將這些不同的信號(hào)傳遞給不同的量子位，使其發(fā)揮不同的作用。這是巨大的阻礙。

當(dāng)前的小型系統(tǒng)中只有幾十個(gè)量子位，每個(gè)量子位被調(diào)諧到不同頻率，類似鎖定在某個(gè)頻道的無線電接收器。在共享信號(hào)線上，發(fā)射相應(yīng)的特定頻率，可以選擇訪問量子位。這可行，但該策略不可擴(kuò)展。發(fā)送到一個(gè)量子位的信號(hào)必需有合理的帶寬，如10兆赫。如果計(jì)算機(jī)包含100萬個(gè)量子位，此類信號(hào)系統(tǒng)需要10太赫的帶寬，這當(dāng)然不可行。同樣不可能構(gòu)建100萬條獨(dú)立的信號(hào)線，將每條信號(hào)線直接連接到每個(gè)量子位。

該解決方案可能涉及頻率復(fù)用和空間復(fù)用的組合。將量子位編造成組，組中的每一量子位被調(diào)諧到不同頻率。計(jì)算機(jī)包含許多這樣的量子位組，所有量子位組都連接到一個(gè)模擬通信網(wǎng)絡(luò)上，模擬層生成的信號(hào)僅連接到一個(gè)選定量子位組子集。通過正確分配信號(hào)頻率和網(wǎng)絡(luò)連接，你可操控單個(gè)或一批目標(biāo)量子位，而不影響其他量子位。

這種方法應(yīng)該會(huì)有效，但多路復(fù)用的不足是控制不準(zhǔn)確。如何消除這種不準(zhǔn)確仍有待研究。

當(dāng)前系統(tǒng)中，數(shù)字處理層和模擬處理層主要在室溫下工作。只有其下面容納量子位的量子處理層溫度要保持在接近絕對(duì)零度。但是，隨著未來系統(tǒng)中量子位數(shù)量的增加，構(gòu)成這3層的電子元件無疑將不得不集成封裝到低溫芯片中。

當(dāng)前某些公司正建造所謂的初始原型樣機(jī)是基于超導(dǎo)量子位。這些機(jī)器最多包含幾十個(gè)量子位，能夠執(zhí)行幾十到幾百次相干量子運(yùn)算。采納這種方法的公司包括科技巨頭谷歌、IBM和英特爾。

通過增加控制線的數(shù)量，工程師可以將當(dāng)前架構(gòu)擴(kuò)展到數(shù)百個(gè)量子位，這已經(jīng)很多了。這些量子位保持相干的時(shí)間很短，當(dāng)前大約是50微秒，這將限制在計(jì)算出錯(cuò)之前可執(zhí)行的量子指令數(shù)。

鑒于這些限制，我預(yù)計(jì)，數(shù)百個(gè)量子位的系統(tǒng)的主要應(yīng)用將是作為傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的加速器。將量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快的特定任務(wù)由超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)送到量子計(jì)算機(jī)，再將結(jié)果返回給超級(jí)計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步處理。某種意義上來說，量子計(jì)算機(jī)將像筆記本電腦中的圖形處理器（GPU），執(zhí)行某些特定任務(wù)，如矩陣求逆或初始條件優(yōu)化，其速度要比單獨(dú)的CPU快得多。

量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的下一階段，應(yīng)用層的建造會(huì)相當(dāng)直接。數(shù)字處理層也將相對(duì)簡(jiǎn)單。而建造組成量子處理單元的3層會(huì)很棘手。

當(dāng)前技術(shù)無法生成完全一致的量子位。不同的量子位的屬性略有不同。這種異質(zhì)性反過來又要求量子處理單元的模擬層適配其所控制的特定量子位。這種定制需求使得建造量子處理單元的過程難以擴(kuò)展。量子位一致性更高，便不需要定制模擬層，且允許控制和測(cè)量信號(hào)的多路復(fù)用。

研究人員可能會(huì)在5到10年內(nèi)引入更多的量子位，進(jìn)而為機(jī)器增加糾錯(cuò)機(jī)制，而大量的量子位將需要多路復(fù)用。支持這種糾錯(cuò)的思路非常簡(jiǎn)單：不要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)物理量子位中，而是將多個(gè)物理量子位組合成可糾錯(cuò)的一個(gè)邏輯量子位。

量子糾錯(cuò)可以解決根本的退相干問題，但每一邏輯量子位需要100到1萬個(gè)物理量子位。這并非唯一的障礙。實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)需要低延遲、高通量、跨越量子處理單元3層的反饋循環(huán)。

在超導(dǎo)電路、自旋量子位、光子系統(tǒng)、離子阱、氮晶格空位中心等眾多類型的量子位實(shí)驗(yàn)中，哪一種最適合用來制造進(jìn)行糾錯(cuò)的大量量子位，尚有待觀察。無論哪一種為最佳方案，都需要成功地封裝和控制至少幾百萬的量子位。

這便引出了大問題：我們真的能夠做到嗎？數(shù)百萬的量子位必須由連續(xù)的模擬信號(hào)來控制。這很難，但絕非沒有可能。我和其他研究人員計(jì)算出，假如設(shè)備的質(zhì)量能夠提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，用于糾錯(cuò)的控制信號(hào)便可多路復(fù)用，用數(shù)字層管理多路復(fù)用策略，模擬層設(shè)計(jì)會(huì)變得簡(jiǎn)單明了。未來的量子處理單元將不需要幾百萬，而只需要幾百或幾千個(gè)數(shù)字連接，這可借助當(dāng)前的集成電路的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

更大的挑戰(zhàn)很可能來自測(cè)量方面：每秒鐘需要在芯片上進(jìn)行數(shù)千次測(cè)量。測(cè)量不能干擾量子信息（計(jì)算結(jié)束前量子信息是不確定的），同時(shí)還要揭示和糾正計(jì)算過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。按照這樣的頻率測(cè)量數(shù)百萬個(gè)量子位，測(cè)量方法需要進(jìn)行很大的改變。

目前的量子位測(cè)量方法需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)和數(shù)字化處理。當(dāng)測(cè)量速率達(dá)到數(shù)千赫茲時(shí)，在擁有數(shù)百萬量子位的機(jī)器中，數(shù)字總通量將是拍字節(jié)/秒。當(dāng)前的技術(shù)無法處理如此之多的數(shù)據(jù)，這還涉及將室溫電子器件在接近絕對(duì)零度的溫度下連接到保存量子位的芯片。

顯然，量子處理單元的模擬層和數(shù)字層必須與同一芯片的量子處理層集成，采用巧妙的策略對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和多路復(fù)用。幸運(yùn)的是，對(duì)于為糾錯(cuò)而進(jìn)行的處理，并非所有量子位的測(cè)量都必須傳遞到數(shù)字層。只有當(dāng)本地電路檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)才需如此，從而大大減少了所需的數(shù)字帶寬。

量子層的性能將從根本上決定計(jì)算機(jī)的運(yùn)算狀況。量子位的瑕疵意味著需要更多的量子位來糾錯(cuò)，而當(dāng)這些瑕疵惡化時(shí)，對(duì)量子計(jì)算機(jī)的要求便超出可行的范圍。反之亦然：工程上改進(jìn)量子位質(zhì)量的成本極高，但能很快收回成本。

在當(dāng)前的量子計(jì)算初始原型階段，單獨(dú)量子位控制是不可避免的：我們需要最大限度地利用已有的量子位。不過很快，隨著可用量子位數(shù)量的增加，研究人員必須設(shè)計(jì)出多路復(fù)用的控制信號(hào)和量子位測(cè)量系統(tǒng)。

接下來的重要一步是采用基本的糾錯(cuò)形式。最初可能有兩條平行的開發(fā)路線，一條有糾錯(cuò)，另一條沒有糾錯(cuò)，但糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)最終將占據(jù)主導(dǎo)地位。要建造可真正執(zhí)行實(shí)際任務(wù)的機(jī)器，除此之外別無他法。

準(zhǔn)備這些開發(fā)任務(wù)，需要芯片設(shè)計(jì)人員、芯片制造工程師、低溫控制專家、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理專家、量子算法開發(fā)人員以及其他人員的密切合作。

國(guó)際量子工程路線圖有助于如此復(fù)雜的合作。可將各項(xiàng)任務(wù)分配給不同專家組，由路線圖的發(fā)布者協(xié)調(diào)專家組之間的溝通。通過學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司的聯(lián)合，我們能夠并將成功地建造實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，在未來釋放出巨大的計(jì)算能力。

審核編輯 ：李倩