量子計(jì)算機(jī)是如何工作的呢？科學(xué)家們有望展示“量子霸權(quán)”

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你大概已經(jīng)見識過薛定諤的貓了——就是處于既生又死的疊加態(tài)的貓?，F(xiàn)在，讓我們向薛定諤系的科學(xué)家們問好——這些研究者目前正處于某種既興奮又畏懼的狀態(tài)。

薛定諤著名的思想實(shí)驗(yàn)已經(jīng)通過某種全新的形式進(jìn)入了人們的生活，因?yàn)榱孔友芯咳藛T通過長期的探索，已站在一項(xiàng)成就的頂端：創(chuàng)造一臺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法匹敵的量子計(jì)算機(jī)。反對者堅(jiān)稱，量子計(jì)算機(jī)就是一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的科學(xué)幻想；量子研究人員耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間來反駁這個(gè)觀點(diǎn)，現(xiàn)在，他們終于可以心安理得地自得于人前了。

但過度夸大進(jìn)展的媒體報(bào)道也如潮水般涌來。例如，2014年2月17日《時(shí)代》雜志就公布了量子計(jì)算的特性，編輯們還在封面上宣稱，這種“無限大的機(jī)器”（InfinityMachine）極具革命性，“有望解決人類面臨的最復(fù)雜的問題”。從那以后，許多媒體的描述也變得同樣夸大其詞。

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科羅拉多大學(xué)波德分校的量子計(jì)算研究員格雷姆?史密斯（GraemeSmith）解釋了該領(lǐng)域面臨的難題。“過去，如果你從事該領(lǐng)域的工作，你會很樂觀地告訴每個(gè)人它的光明前景。但情況發(fā)生了變化，現(xiàn)在，即便是像我這樣的研究人員也無法相信媒體報(bào)道中所說的內(nèi)容——量子計(jì)算機(jī)很快就能在瞬間解決每一個(gè)問題。對于量子計(jì)算機(jī)可以做什么這一問題，似乎被無底線地競相夸大?！?/p>

人們之所以如此興奮，是因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)有望在今年某個(gè)時(shí)候?qū)崿F(xiàn)一項(xiàng)重要里程碑。在谷歌研究小組和IBM研究小組的競逐下，科學(xué)家們有望展示“量子霸權(quán)”。這意味著系統(tǒng)將能夠解決現(xiàn)有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)因存儲量或計(jì)算能力不足而束手無策的問題。

盡管標(biāo)題黨宣稱“量子霸權(quán)”將使“量子計(jì)算的到來”不可避免，但它的成就并不會像主流媒體吹噓得那么重大。首先，谷歌用來展示量子霸權(quán)的算法并未完成任何有現(xiàn)實(shí)意義的事情：研究人員設(shè)計(jì)的問題并未涉及傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的計(jì)算范圍。

構(gòu)建可解決現(xiàn)實(shí)世界里人們真正關(guān)注的計(jì)算問題的量子計(jì)算機(jī)，需要多年艱苦卓絕的研究。事實(shí)上，谷歌和IBM的量子計(jì)算工程師們都表示，建造一臺可解決最棘手計(jì)算問題的量子“夢想機(jī)器”仍需數(shù)十年時(shí)間。

即便到那時(shí)，業(yè)界人士也不會期望量子計(jì)算機(jī)可以取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)——盡管人們普遍認(rèn)為，傳統(tǒng)計(jì)算摩爾定律的失勢將使量子計(jì)算機(jī)有機(jī)會一統(tǒng)天下。目前在所有的量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中，都將它們與執(zhí)行大量預(yù)處理和后處理步驟的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相匹配。此外，由于能首先讓量子計(jì)算機(jī)順利執(zhí)行任務(wù)的軟硬件才剛起步，目前傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可快速執(zhí)行的日常編程任務(wù)，在量子計(jì)算上可能會變得很慢。

“我認(rèn)為，沒有人會指望用量子計(jì)算機(jī)來取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)?！绷孔友芯咳藛T斯蒂芬?喬丹（Stephen Jordan）說。喬丹曾在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）工作多年，并于最近加入位于華盛頓州雷德蒙德的微軟研究院。也許，量子機(jī)器僅適用于某些具備巨大收益而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法輕松處理的特定計(jì)算工作。

量子計(jì)算機(jī)的觀點(diǎn)可追溯至1981年諾貝爾獎(jiǎng)得主、物理學(xué)家理查德?費(fèi)曼的一次演講。他提出可使用亞原子粒子的特性來模擬其他亞原子粒子的行為。但該領(lǐng)域更好的起點(diǎn)是1994年彼得?肖爾（Peter Shor，曾供職于AT＆T貝爾實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在麻省理工學(xué)院任職）的一篇論文，文中展示了一臺量子計(jì)算機(jī)——假定人們可以創(chuàng)建一臺量子計(jì)算機(jī)——如何能夠快速找到大數(shù)質(zhì)因子，從而破譯常用公鑰加密系統(tǒng)。這樣的電腦基本上可以攻破互聯(lián)網(wǎng)。

許多人都注意到了這篇文章，特別是涉及加密技術(shù)的美國安全機(jī)構(gòu)，他們很快便開始投資量子硬件研究。在過去的20年里，該領(lǐng)域的相關(guān)投入已達(dá)到數(shù)十億美元，而主要投資人就是政府。如今現(xiàn)有技術(shù)更趨近商業(yè)化，風(fēng)險(xiǎn)投資人也開始采取行動，這種情況很可能與目前對量子技術(shù)的大肆炒作有關(guān)。

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那么量子計(jì)算機(jī)是如何工作的呢？

給出一個(gè)簡單易懂的答案十分不易，正因如此，2016年4月加拿大***賈斯汀?特魯多像其他外行人士那樣簡單地回答了該問題，才會被封為極客英雄。在一次新聞發(fā)布會上，特魯多解釋說：“普通電腦……采用的是1或0，即二進(jìn)制系統(tǒng)。而量子態(tài)可以在1比特中編入更復(fù)雜的信息?！边@一解釋很快家喻戶曉。

如果特魯多有更多時(shí)間，他可能會繼續(xù)說，量子計(jì)算機(jī)的主要基本單元是“量子比特”——一個(gè)量子比特是一個(gè)量子對象，可處于無限多種狀態(tài)，它們與測量量子比特時(shí)假定其處于兩種狀態(tài)之一的概率有關(guān)。任何具量子特性的物體（如電子或光子）都可以作為量子比特，只要計(jì)算機(jī)能隔離和控制它。

每個(gè)量子比特一旦在計(jì)算機(jī)內(nèi)部形成，即遵從于可向其傳遞電磁能量的一些機(jī)制。為了運(yùn)行一個(gè)特定程序，計(jì)算機(jī)精確按照腳本序列（例如微波傳輸）以特定頻率和持續(xù)時(shí)間快速移動量子比特。這些脈沖相當(dāng)于量子程序的“指令”。每條指令可使量子比特的未測定狀態(tài)以特定方式演變。

這些脈沖操作不是僅在一個(gè)量子比特上進(jìn)行，而是在系統(tǒng)內(nèi)的所有量子比特上完成，通常每個(gè)量子比特或一組量子比特接收不同的脈沖“指令”。量子計(jì)算機(jī)中量子比特相互作用的過程稱為糾纏；從某種意義上講，這一過程與它們的未來相關(guān)。值得一提的是，量子研究人員已經(jīng)找到了利用計(jì)算機(jī)內(nèi)量子比特狀態(tài)的連續(xù)變化來執(zhí)行有效計(jì)算的方法。

程序完成后（亦即數(shù)千甚至數(shù)百萬個(gè)脈沖發(fā)出后），量子比特的狀態(tài)得到測量，揭示最終的計(jì)算結(jié)果。這會使每個(gè)量子比特變成0或1，即量子力學(xué)中著名的波函數(shù)坍塌。

量子比特必須與哪怕最微量的外部干擾隔離（至少是在計(jì)算完成前），若非如此，量子計(jì)算將是一項(xiàng)非常簡單的工程。但要實(shí)現(xiàn)隔離困難重重，這也是為什么直到數(shù)年前，最大的量子機(jī)器也至多只有十幾個(gè)量子比特，而且只能執(zhí)行最簡單的算法。

由于周圍環(huán)繞的噪聲，量子比特很容易出錯(cuò)。要解決這一問題，量子計(jì)算機(jī)需要備用量子比特。如果一個(gè)量子比特出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會調(diào)動備用量子比特，使錯(cuò)誤量子比特恢復(fù)到正確狀態(tài)。

常規(guī)計(jì)算機(jī)也存在這種糾錯(cuò)過程。但量子系統(tǒng)需要的量子比特?cái)?shù)量十分巨大。工程師們估計(jì)，要想獲得一臺可靠的量子計(jì)算機(jī)，所用的每個(gè)量子比特可能需要1000甚至更多的備用量子比特。由于許多先進(jìn)算法需要具備數(shù)千個(gè)量子比特才能運(yùn)行，因此一臺實(shí)用的量子機(jī)器所需的量子比特總數(shù)（包括與糾錯(cuò)相關(guān)的量子比特）動輒達(dá)數(shù)百萬。

兩相對照，谷歌最新發(fā)布的量子計(jì)算芯片只包含72量子比特。這些量子比特對計(jì)算而言價(jià)值幾何將取決于它們的易錯(cuò)度。

2014年，谷歌聘用了美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校的一支團(tuán)隊(duì)開展量子計(jì)算機(jī)研究工作。2017年11月，IBM宣布成功構(gòu)建了一臺50量子比特的量子計(jì)算機(jī)。這兩家公司，以及位于加州伯克利的初創(chuàng)公司Rigetti計(jì)算和英特爾（最近已宣布推出49量子比特陣列）所使用的芯片都經(jīng)過了專門的設(shè)計(jì)，憑借其所含的超導(dǎo)電路回路而具備量子特性。這些芯片必須在極低溫度下保存，因此需要建造有如好萊塢科幻電影道具般精致的壁櫥般大小的冷卻系統(tǒng)。

目前存在一種完全不同的量子硬件架構(gòu)，其中所含的量子粒子，即離子，可懸浮于一個(gè)在室溫下運(yùn)行的系統(tǒng)中。杜克大學(xué)的物理學(xué)家金俊祥（JungsangKim，音）和馬里蘭大學(xué)的克里斯多夫?門羅（ChristopherMonroe）共同創(chuàng)立的初創(chuàng)公司IonQ（位于馬里蘭大學(xué)帕克分校）正致力于構(gòu)建一臺基于該方法、使用鐿離子的機(jī)器。

微軟正在推行第3種策略，即拓?fù)淞孔佑?jì)算。它在理論上可行，但目前還不具備有效硬件。

這些系統(tǒng)沒有一個(gè)與近年來收獲最多公眾關(guān)注的來自加拿大D-Wave系統(tǒng)公司的量子計(jì)算機(jī)平臺接近。雖然谷歌和大眾汽車等知名公司采用了D-Wave的機(jī)器，但量子研究領(lǐng)域的大多數(shù)人依然對這些設(shè)備持懷疑態(tài)度。這些科學(xué)家認(rèn)為，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)做不到的事情，D-Wave系統(tǒng)也不可能做到；并且還質(zhì)疑，該系統(tǒng)是否真的實(shí)現(xiàn)了量子加速。

谷歌-IBM-Rigetti的超導(dǎo)戰(zhàn)略似乎在這場硬件競賽中一馬當(dāng)先，但人們尚不清楚哪種形式的硬件能夠最終勝出；還有一種可能是這3種方法將會并存。量子程序員表示，他們并不在乎哪種設(shè)計(jì)能最終獲勝，他們只希望能夠發(fā)揮量子比特的作用。

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量子計(jì)算存在許多未知因素，其中之一是機(jī)器提供額外量子比特的速度有多快。隨著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，摩爾定律可確保晶體管數(shù)量每兩年左右翻一番。但由于與量子機(jī)器相關(guān)的電子學(xué)十分復(fù)雜，目前還無法做出類似的預(yù)測。許多工程師預(yù)計(jì)，在未來一段時(shí)間內(nèi)，我們將止步于量子比特?cái)?shù)量相對較少的機(jī)器（可能只有數(shù)百個(gè)）。鑒于量子霸權(quán)的基本演示可能無法提供有用結(jié)果，而且需要許多年才能有成熟的系統(tǒng)出現(xiàn)，工程師們正將重點(diǎn)放在可在近期問世的小型量子系統(tǒng)中運(yùn)行的算法上。

人們即將形成的共識是：雖然驚喜隨時(shí)可能出現(xiàn)，但進(jìn)展無法一蹴而就。

“那些聲稱量子計(jì)算機(jī)很快就能解決現(xiàn)實(shí)問題，或者聲稱利用量子計(jì)算機(jī)能賺大錢的人，我覺得他們都沒有說實(shí)話?！奔又荽髮W(xué)圣芭芭拉分校的物理學(xué)家威姆?范?達(dá)姆（Wimvan Dam）說，“要想實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，你需要更大型的系統(tǒng)。但這并不意味著該領(lǐng)域目前的進(jìn)展不令人激動?！?/p>

在麻省理工學(xué)院的彼得?肖爾開發(fā)了因子分解算法后的20年里，量子計(jì)算已與密碼學(xué)息息相關(guān)。不過近年來，人們對破解互聯(lián)網(wǎng)加密的擔(dān)心有所緩解，這一方面是因?yàn)榱孔咏缫呀?jīng)意識到，要實(shí)現(xiàn)肖爾所描述的機(jī)器還有很長的路要走，另一方面是因?yàn)榭傻钟孔庸舻摹昂罅孔用艽a學(xué)”正在崛起。即使是現(xiàn)在，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所還在評估后量子加密基礎(chǔ)設(shè)施的各種候選方法。

本著費(fèi)曼對量子計(jì)算的獨(dú)到見解，研究人員并不完全局限于加密，而是傾向于使用計(jì)算機(jī)來模擬原子和分子。研究人員稱，在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的量子算法集中，物理和化學(xué)模擬算法最多，收益也相當(dāng)可觀。例如，可以想象一下接近室溫的超導(dǎo)金屬會是什么樣子。

但也要注意不能過分夸大。據(jù)馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家兼計(jì)算機(jī)科學(xué)家安德魯?蔡爾茲（Andrew Childs）預(yù)測，第一代量子計(jì)算機(jī)只能解決相對簡單的物理和化學(xué)問題?！澳憧梢赃m當(dāng)?shù)赜蒙倭苛孔颖忍貋砘卮鸶叻肿游锢韺W(xué)領(lǐng)域也能給出答案的問題，”他說，“但要想理解更多，比如高溫超導(dǎo)性，就需要更多量子比特。”

盡管研究人員告誡不要對新生量子計(jì)算機(jī)過分樂觀，但他們也并不排除未來的突破將能夠?qū)崿F(xiàn)用更少的能量來解決更多的問題。編程人員實(shí)踐得越多，算法就會越優(yōu)秀，這正是IBM將其量子機(jī)器放在網(wǎng)上供研究人員使用的原因。

“我可以在這張白紙上寫下地球上所有量子算法研究人員的名字。這就是問題所在?！辈死鸕igetti量子計(jì)算公司的查德?里吉蒂（Chad Rigetti）說，“我們需要在算法上取得更大進(jìn)展，要為數(shù)以萬計(jì)的學(xué)生提供學(xué)習(xí)用的機(jī)器，這有助于推動該領(lǐng)域的發(fā)展?！?/p>

就這些學(xué)生而言，站在新時(shí)代的潮頭，未來展現(xiàn)出驚人新發(fā)現(xiàn)的巨大潛力，這令他們甘之如飴。加州大學(xué)伯克利分校的物理系研究生丹尼爾?弗里曼（Daniel Freeman）表示，量子機(jī)器尚處于早期發(fā)展階段是該研究領(lǐng)域的一個(gè)特點(diǎn)，而非缺陷。

他說：“我們身處的當(dāng)口差不多相當(dāng)于100年前傳統(tǒng)計(jì)算的新生時(shí)期，甚至還未步入真空管階段。但我認(rèn)為這真是酷斃了?！?