什么是量子計(jì)算機(jī)？計(jì)算容量知多少？

量子計(jì)算機(jī)需要解決量子噪聲的問(wèn)題，量子噪聲會(huì)快速破壞計(jì)算結(jié)果。

（Josef Bsharah，Quanta Magazine）

量子計(jì)算機(jī)很快就能在一些基礎(chǔ)工作上打敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)了。但在它們真正強(qiáng)大之前，研究者還需要攻克多個(gè)根本性的障礙。

經(jīng)歷了數(shù)十年希望渺茫的艱苦研究，量子計(jì)算突然受到了熱烈的追捧。大約兩年前，IBM制造了一臺(tái)全球可用的量子計(jì)算機(jī)，這個(gè)有5個(gè)量子比特計(jì)算資源的平臺(tái)被稱為“IBM Q”。不過(guò)它更像是給研究者的玩具，而不是用來(lái)完成嚴(yán)肅的數(shù)據(jù)計(jì)算的。但是全球有7萬(wàn)人進(jìn)行了注冊(cè)，而且這個(gè)平臺(tái)的量子比特?cái)?shù)現(xiàn)在已經(jīng)翻了兩番。在過(guò)去的幾個(gè)月，IBM和英特爾分別宣布它們已經(jīng)制造出了有50和49個(gè)比特的量子計(jì)算機(jī)，而外界認(rèn)為Google也有一臺(tái)等待發(fā)布的量子計(jì)算機(jī)?！斑@個(gè)領(lǐng)域大有可為，最近的發(fā)展也是碩果累累?！卑亓肿杂纱髮W(xué)（Free University of Berlin）的物理學(xué)家Jens Eisert說(shuō)道。

有人認(rèn)為“量子霸權(quán)”即將成真：到那時(shí)，量子計(jì)算機(jī)可以超越現(xiàn)在最好的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。如果比較兩種計(jì)算機(jī)的比特?cái)?shù)，這聽上去像是天方夜譚：50個(gè)量子比特要如何匹敵你筆記本電腦里數(shù)十億個(gè)經(jīng)典比特？但量子計(jì)算的重點(diǎn)在于：一個(gè)量子比特的運(yùn)算能力要遠(yuǎn)超經(jīng)典比特。長(zhǎng)期以來(lái)人們認(rèn)為，一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎不能實(shí)現(xiàn)的計(jì)算任務(wù)，50個(gè)比特左右的量子計(jì)算機(jī)就能實(shí)現(xiàn)。

從這些事件中你可能會(huì)推斷，所有的基礎(chǔ)問(wèn)題已經(jīng)在理論上得到了解決，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)將會(huì)無(wú)處不在，需要處理的只是工程問(wèn)題。這種想法很誘人，但并不準(zhǔn)確。量子計(jì)算機(jī)的物理基礎(chǔ)問(wèn)題遠(yuǎn)未得到解決，也難以在制造過(guò)程中輕易解決。即使我們很快就要見證“量子霸權(quán)”里程碑的到來(lái)，接下來(lái)的一到兩年才會(huì)決定量子計(jì)算機(jī)是否會(huì)帶來(lái)計(jì)算革命。前方依舊困難重重，沒(méi)有誰(shuí)能保證實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的遠(yuǎn)大目標(biāo)。

在紐約州約克敦海茨IBM沃森研究中心的量子計(jì)算中心，他們把量子計(jì)算機(jī)保存在低溫儲(chǔ)罐（最右）中，冷卻到絕對(duì)零度以上零點(diǎn)幾度。

（Connie Zhou，IBM）

什么是量子計(jì)算機(jī)？

量子計(jì)算機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，我們有必要簡(jiǎn)單了解下其背后依靠的理論物理基礎(chǔ)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)用一串二進(jìn)制數(shù)字（1和0）來(lái)編碼和操縱信息。量子比特也用同樣的方式進(jìn)行編碼，只是它可能處在1和0的疊加態(tài)，這意味著如果我們測(cè)量這個(gè)量子比特，我們可能得到1，也可能得到0，且測(cè)到1或0的概率都是確定的。

為了用許多這樣的量子比特實(shí)現(xiàn)計(jì)算，這些量子比特需要處在相互依賴的疊加態(tài)——也被稱為“量子相干（quantum-coherent）”的狀態(tài)，在此狀態(tài)下量子比特會(huì)相互糾纏，一個(gè)量子比特的變化會(huì)影響其他所有量子比特。這也就意味著，對(duì)量子比特的計(jì)算操作可達(dá)到的計(jì)算能力將超越經(jīng)典比特的計(jì)算。對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言，計(jì)算資源按照比特?cái)?shù)量成比例增長(zhǎng)，而在量子計(jì)算機(jī)中，增加一個(gè)量子比特可以使計(jì)算資源翻倍。這也是為什么5個(gè)量子比特和50個(gè)量子比特的差異如此巨大。

請(qǐng)注意，雖然人們常說(shuō)，與經(jīng)典比特相比，由于疊加態(tài)的存在大幅提高了量子比特的可編碼數(shù)量，因此量子計(jì)算機(jī)更有優(yōu)勢(shì)，但我并沒(méi)有這樣說(shuō)。我也沒(méi)有說(shuō)糾纏態(tài)的存在允許多個(gè)運(yùn)算同步進(jìn)行。這些描述不能說(shuō)是錯(cuò)的，但是都沒(méi)有抓住量子計(jì)算的核心。

IBM的低溫恒溫器內(nèi)部，它連接了一個(gè)50比特量子系統(tǒng)的。

（Connie Zhou ，IBM）

我們很難解釋為什么量子計(jì)算如此強(qiáng)大，因?yàn)槲覀兒茈y精確定義量子力學(xué)究竟是什么。量子理論的公式確實(shí)表明量子計(jì)算是可行的，至少在因式分解或是數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等計(jì)算問(wèn)題上，它帶來(lái)了巨大的計(jì)算速度提升。但沒(méi)人知道這具體是怎么實(shí)現(xiàn)的。

最保守的說(shuō)法可能是，量子力學(xué)創(chuàng)造了經(jīng)典設(shè)備所沒(méi)有的“計(jì)算資源”。正如加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所（Perimeter Institute）的量子理論學(xué)家Daniel Gottesman所說(shuō)，“計(jì)算中應(yīng)用了足夠的量子力學(xué)資源，計(jì)算速度就獲得了提高，否則就沒(méi)有?！?/p>

不過(guò)有一些事情還是清晰的。為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，你需要保持所有的量子比特相干。而這是非常困難的。量子相干實(shí)體所組成的系統(tǒng)和其周圍環(huán)境的相互作用，會(huì)導(dǎo)致量子性質(zhì)快速消失，這個(gè)過(guò)程稱為“退相干（decoherence）”。想要建造量子計(jì)算機(jī)，科學(xué)家就必須設(shè)法延長(zhǎng)退相干時(shí)間，但現(xiàn)在的技術(shù)僅能將時(shí)間延長(zhǎng)到零點(diǎn)幾秒。隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，其與外界環(huán)境接觸的可能性增大，想要延長(zhǎng)退相干時(shí)間的難度也就越大。這也是為什么早在1982年，費(fèi)曼（Richard Feynman）就提出了量子計(jì)算機(jī)的提議，20世紀(jì)90年代初量子計(jì)算機(jī)的理論就已經(jīng)形成，但是直到現(xiàn)在人們才制造出了能進(jìn)行有意義的計(jì)算的設(shè)備。

量子錯(cuò)誤

量子計(jì)算還面臨另外一方面的障礙。正如自然中的其他過(guò)程一樣，量子計(jì)算過(guò)程中也有噪聲。來(lái)自量子比特內(nèi)的熱量、來(lái)自基本的量子力學(xué)過(guò)程的隨機(jī)波動(dòng)都可能會(huì)干擾量子比特的狀態(tài)，從而造成計(jì)算錯(cuò)誤。噪聲在經(jīng)典計(jì)算中同樣存在，但不難解決——你只要給每個(gè)比特保存兩到三份備份，這樣一個(gè)錯(cuò)誤的比特就很容易被發(fā)現(xiàn)和剔除。量子計(jì)算機(jī)的研究者們已經(jīng)想出了解決噪聲問(wèn)題的策略，但這些策略更像是一種負(fù)擔(dān)——你所有的計(jì)算能力都被用于糾正錯(cuò)誤，而不是運(yùn)行算法?！艾F(xiàn)在的錯(cuò)誤率嚴(yán)重限制了量子計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的計(jì)算的長(zhǎng)度，”Andrew Childs說(shuō)道，他是馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）量子信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)合中心的聯(lián)合主任?！叭绻覀兿胱鲆恍┯腥さ氖虑?，我們需要一個(gè)比這好得多的策略。”

Andrew Childs，馬里蘭大學(xué)的量子理論學(xué)家，他認(rèn)為錯(cuò)誤率是值得小心的，這是量子計(jì)算機(jī)中一個(gè)基本而值得憂慮的問(wèn)題。

許多量子計(jì)算的基礎(chǔ)研究都集中到了計(jì)算糾錯(cuò)這個(gè)問(wèn)題上。這個(gè)領(lǐng)域比較棘手的問(wèn)題來(lái)源于量子系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵特性：疊加態(tài)只有在你不觀測(cè)量子比特值的時(shí)候才能維持。如果你進(jìn)行測(cè)量，那么疊加態(tài)就會(huì)塌縮到一個(gè)確定的值：1或0。那么問(wèn)題來(lái)了，如果你不知道量子比特的狀態(tài)，要如何才能發(fā)現(xiàn)量子比特是否出錯(cuò)呢？

一個(gè)巧妙的想法是進(jìn)行間接的觀測(cè)，把需要觀測(cè)的量子比特與一個(gè)不參與計(jì)算的輔助用量子比特進(jìn)行耦合，人們可以探測(cè)輔助量子比特而不會(huì)導(dǎo)致被測(cè)量量子比特狀態(tài)的塌縮。然而這個(gè)想法執(zhí)行起來(lái)較為復(fù)雜。這個(gè)解決方法意味著，為了構(gòu)成一個(gè)用于糾錯(cuò)的真正的“邏輯量子比特（logical qubit）”，你需要許多物理量子比特。

到底需要多少呢？哈佛大學(xué)的量子理論學(xué)家Alán Aspuru-Guzik預(yù)估需要約1萬(wàn)個(gè)現(xiàn)在的物理量子比特才能制造一個(gè)邏輯量子比特——這是一個(gè)完全不切實(shí)際的數(shù)字。不過(guò)他也認(rèn)為，隨著技術(shù)的提升，這個(gè)數(shù)字可以降低到幾千甚至是幾百。Eisert沒(méi)有這么悲觀，他認(rèn)為約800個(gè)物理量子比特可能就足夠了，但即便這樣，他也認(rèn)為這對(duì)計(jì)算資源來(lái)說(shuō)是一筆巨大的開銷。而現(xiàn)在，我們需要找到新的方法來(lái)應(yīng)對(duì)那些容易產(chǎn)生編碼錯(cuò)誤的量子比特。

糾錯(cuò)的另一種選擇就是避免或者消除他們的影響：也稱為 “誤差抑制（error mitigation）”。例如，IBM的研究員正在開發(fā)一種策略，試圖搞清楚在一次計(jì)算中會(huì)發(fā)生多少錯(cuò)誤，從而推斷出理論上的“0噪聲”極限。

一些研究者認(rèn)為，糾錯(cuò)這個(gè)問(wèn)題將會(huì)是棘手的，并且會(huì)阻礙量子計(jì)算機(jī)各種宏偉目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?！皠?chuàng)造量子糾錯(cuò)的代碼比展現(xiàn)量子霸權(quán)還要困難，”以色列希伯來(lái)大學(xué)（Hebrew University of Jerusalem）的數(shù)學(xué)家Gil Kalai說(shuō)到。他還補(bǔ)充到，“對(duì)計(jì)算而言，沒(méi)有糾錯(cuò)功能的設(shè)備實(shí)在是太原始了，在這種基礎(chǔ)上建立霸權(quán)是不可能的?！睋Q句話說(shuō)，在量子計(jì)算機(jī)還會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下，它永遠(yuǎn)無(wú)法超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

另一些人認(rèn)為問(wèn)題終將得到解決。IBM沃森研究中心（Thomas J. Watson Research Center）的量子信息科學(xué)家Jay Gambetta表示，“我們最近在IBM的研究在一臺(tái)小設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了量子糾錯(cuò)的基本元素，為在大設(shè)備上實(shí)現(xiàn)噪聲下長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)量子信息鋪平了道路。”即使如此，他也承認(rèn)，“要使用邏輯量子比特實(shí)現(xiàn)一個(gè)容錯(cuò)的通用量子計(jì)算機(jī)，仍有很長(zhǎng)的路要走?！边@樣的發(fā)展讓Childs保持謹(jǐn)慎樂(lè)觀的態(tài)度：“我相信我們會(huì)看到實(shí)驗(yàn)上糾錯(cuò)能力的進(jìn)步，但距離把這項(xiàng)技術(shù)用于實(shí)際計(jì)算，還有很長(zhǎng)的一段路要走?！?/p>

與錯(cuò)誤共存

目前，量子計(jì)算機(jī)都很容易發(fā)生錯(cuò)誤，問(wèn)題在于我們要如何與錯(cuò)誤相處。在IBM，研究者們正在討論一個(gè)叫“近似量子計(jì)算（approximate quantum computing）”的術(shù)語(yǔ)，試圖尋找方法來(lái)適應(yīng)噪聲。

通過(guò)可以容忍錯(cuò)誤的算法，我們能夠在有噪聲的情況下仍然得到正確的結(jié)果。這就好比在大選中，人們剔除幾張錯(cuò)誤的選票，一樣可以得到正確的選舉結(jié)果?！耙粋€(gè)足夠龐大并且高保真的量子計(jì)算機(jī)肯定有一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)不具備的優(yōu)勢(shì)，即使它偶爾也會(huì)受到噪音的影響?！盙ambetta表示。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

現(xiàn)階段，容忍噪聲最直接的應(yīng)用就是在原子級(jí)別上的物質(zhì)模擬。可能對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)這是最有價(jià)值的領(lǐng)域，這實(shí)際上也是費(fèi)曼一開始提議建造量子計(jì)算機(jī)的動(dòng)機(jī)。量子力學(xué)的方程式規(guī)定了一種特性計(jì)算方式，可以用來(lái)計(jì)算例如藥物分子的反應(yīng)穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)活性。在經(jīng)典情況下，要解決這些問(wèn)題不得不進(jìn)行許多簡(jiǎn)化。

Childs認(rèn)為，電子和原子的量子行為“和量子計(jì)算機(jī)的原始行為十分相近。”所以我們可以利用量子計(jì)算機(jī)建立一個(gè)分子的精確的計(jì)算機(jī)模型。“這一領(lǐng)域中的許多人都相信，此類設(shè)備有望在量子化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。”Aspuru-Guzik這樣表示，他正在推動(dòng)量子計(jì)算向這一方向發(fā)展。

量子模擬已經(jīng)在一些非常小型的量子計(jì)算機(jī)上證明了其價(jià)值。包括Aspuru-Guzik在內(nèi)的研究小組開發(fā)了一套名為“可變量子本征求解”（variational quantum eigensolver ，VQE）的算法，這套算法可以在有噪聲的情況下高效找到分子的最低能量狀態(tài)。雖然到目前為止，這套算法只能應(yīng)付有幾個(gè)電子的小分子，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)足以完全勝任相同的工作。但它的性能逐漸提升了，Gambetta及其合作者去年九月用IBM的6個(gè)量子比特的設(shè)備展示了計(jì)算分子電子結(jié)構(gòu)的能力，包括氫化鋰和氫化鈹。這項(xiàng)工作是“向量子霸權(quán)的飛躍”，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（Swiss Federal Institute of Technology）的物理化學(xué)家Markus Reiher這樣說(shuō)到?！袄肰QE模擬小分子結(jié)構(gòu)，是近期運(yùn)用啟發(fā)式算法（heuristic algorithms）的一個(gè)顯著的例子?！盙ambetta說(shuō)到。

即便如此，Aspuru-Guzik也承認(rèn)，如果量子計(jì)算機(jī)要真正開始超越經(jīng)典設(shè)備，有糾錯(cuò)功能的邏輯量子比特是必不可少的?！拔曳浅Ｆ诖邆浼m錯(cuò)功能的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的那一天?！?/p>

“如果我們有超過(guò)200個(gè)邏輯量子比特，我們就有機(jī)會(huì)在量子化學(xué)領(lǐng)域超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)?！?Reiher補(bǔ)充道。“而如果我們有5000個(gè)這樣的量子比特，那么量子計(jì)算機(jī)將徹底改變這個(gè)領(lǐng)域?！?/p>

計(jì)算容量知多少？

盡管實(shí)現(xiàn)目標(biāo)需要經(jīng)歷一些挑戰(zhàn)，量子計(jì)算機(jī)從5個(gè)量子發(fā)展到了50個(gè)量子比特僅僅用了一年多，這種快速發(fā)展燃起了人們的希望。但我們不應(yīng)該沾沾自喜，因?yàn)檫@僅僅是量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)方面。重要的不僅僅是你有多少量子比特，而是你的量子比特性能有多好，你的算法效率多高。

任何的量子計(jì)算都需要在退相干效應(yīng)將量子比特?cái)_亂之前完成。一般情況下，一組組合好的量子比特有幾微秒的時(shí)間發(fā)生退相干。你能在這稍縱即逝的時(shí)間中執(zhí)行的邏輯運(yùn)算數(shù)量取決于量子門切換的速度，如果切換的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，那么你能支配的量子比特再多也沒(méi)用。一次計(jì)算需要操縱門的次數(shù)稱為“深度(depth)”：顯然深度較小的算法可行性更高，但這樣的算法能不能用于進(jìn)行有價(jià)值的計(jì)算則是另一個(gè)問(wèn)題了。

此外，不是所有的量子比特都同樣嘈雜。理論上，特定材料的拓?fù)潆娮討B(tài)可以構(gòu)成低噪聲的量子比特，其電子狀態(tài)編碼二元信息時(shí)不受隨機(jī)噪聲的干擾。微軟的研究人員正在特殊的量子材料上尋找這樣的拓?fù)鋺B(tài)，但他們并不能保證找到或控制這種狀態(tài)。

IBM的研究人員用“量子容量”（quantum volume）描述量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，這個(gè)參數(shù)要把所有相關(guān)的因素都考慮進(jìn)去：量子比特的數(shù)量和關(guān)聯(lián)性、算法深度、量子門的其他各項(xiàng)性能參數(shù)?！傲孔尤萘俊边@個(gè)概念才能全面地描述量子計(jì)算的能力，Gambetta認(rèn)為當(dāng)務(wù)之急就是發(fā)展能夠提高量子容量的量子計(jì)算硬件。

這也是為什么現(xiàn)在“量子霸權(quán)”這個(gè)夸張概念看起來(lái)如此不靠譜的原因。一臺(tái)50量子比特的量子計(jì)算機(jī)勝過(guò)一臺(tái)最先進(jìn)水平的超級(jí)計(jì)算機(jī)，這畫面確實(shí)十分誘人，但也留下了許多懸而未決的問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)到底在那些方面做得更好？不經(jīng)過(guò)一臺(tái)可靠的經(jīng)典設(shè)備的檢查，你如何確定量子計(jì)算機(jī)得到了正確的答案？你又怎么知道經(jīng)典計(jì)算機(jī)在有更優(yōu)算法的情況下不能做得更好？

所以“量子霸權(quán)”是一個(gè)需要謹(jǐn)慎對(duì)待的概念。越來(lái)越多的研究者現(xiàn)在傾向于使用“量子優(yōu)勢(shì)”，這種表述指的是量子設(shè)備對(duì)速度的提升，而沒(méi)有斷言哪種設(shè)備更占優(yōu)勢(shì)。由于種族和政治原因，人們也對(duì)“霸權(quán)”這個(gè)詞逐漸產(chǎn)生厭惡。

無(wú)論如何命名，量子計(jì)算機(jī)可以超越經(jīng)典計(jì)算這件事是有著顯著意義的?！敖缍ㄒ粋€(gè)清晰的量子優(yōu)勢(shì)將是一個(gè)重要的里程碑。”Eisert表示，這表明量子計(jì)算機(jī)真的可以拓展其在科技上的可能性。

確定“量子優(yōu)勢(shì)”，其象征意義可能大于實(shí)際價(jià)值。但這樣的事情依然是重要的，因?yàn)槿绻孔佑?jì)算想要取得成功，不能僅靠IBM或Google這樣的公司突然出售他們的新設(shè)備，而需要通過(guò)開發(fā)者和用戶間的充分互動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)。這也是為什么IBM和Google都熱衷于向公眾開放量子計(jì)算設(shè)備的原因。IBM的16位量子比特計(jì)算機(jī)面向所有注冊(cè)用戶開放后，一個(gè)20位的版本也面向包括摩根、戴勒姆公司、本田、三星和牛津大學(xué)在內(nèi)的企業(yè)客戶開放了?？蛻舨粌H可以探索量子設(shè)備的用途，還可以創(chuàng)造一個(gè)以量子為語(yǔ)言的社區(qū)，幫助開發(fā)者解決問(wèn)題，這是任何一家公司都無(wú)法獨(dú)自完成的。

“為了量子計(jì)算邁入正規(guī)并開花結(jié)果，我們必須讓全世界使用并學(xué)習(xí)它，”Gambetta說(shuō)道?！叭澜绲目茖W(xué)家和企業(yè)應(yīng)當(dāng)集中精神，迎接量子計(jì)算時(shí)代的到來(lái)?！?/p>