量子計算的歷史與未來

《連線》雜志發(fā)表了一系列文章來介紹最新的技術與網(wǎng)絡文化。本文是量子計算篇，作者為TOM SIMONITE。

當計算機變更小或者變更快時，就會發(fā)生下一個大事件（Big Things）。量子計算的出現(xiàn)，是為了追求技術史上最大的性能提升?；纠砟钍峭ㄟ^利用亞原子尺度的反直覺物理現(xiàn)象，來打破一些限制現(xiàn)有計算機速度的障礙。

就算科技領域成功實現(xiàn)了量子飛躍，你也不會有一臺量子計算設備可以裝在口袋里。不要開始為購買iPhone Q存錢。但是，我們可以看到它在推動許多科學和技術領域的顯著進步上有很大作用，比如電動車用的長效電池，或者重塑產(chǎn)業(yè)技術或?qū)崿F(xiàn)新醫(yī)療的化學進步。量子計算機不可能在任何事情上都比傳統(tǒng)計算機做的更好更快，但是在一些棘手的問題上，它們有優(yōu)勢，可以實現(xiàn)驚人的進步。

問從事量子計算研究的人，這些夢幻般的應用什么時候會成為現(xiàn)實，是沒有用的，某種意義上來說，也是不禮貌的。唯一可以肯定的是，他們還需要很多年的時間。量子計算硬件原型仍處于萌芽階段。但是，強大的——對于科技公司來說，能給其增加利潤的——量子物理驅(qū)動的計算機最近開始變得不那么遙不可及了。

IBM的一個量子計算芯片的冷卻和支持結構(圖片底部的黑色小方塊)。

這是因為谷歌、IBM和其他公司已經(jīng)決定，是時候?qū)@一技術進行大量投資了，這反過來又幫助量子計算在金融(如摩根大通)和航空航天(如空客)等領域的大公司的公司戰(zhàn)略上獲得了一個突破點。根據(jù)CB Insights的數(shù)據(jù)，2017年，風險投資者向全球從事量子計算硬件或軟件的創(chuàng)業(yè)公司一共投入了2.41億美元。這是前一年的三倍。

就像支撐量子計算的令人困惑的數(shù)學原理一樣，圍繞這項仍然不切實際的技術建立的一些期望也會讓你不知所以。如果你現(xiàn)在在飛往舊金山的飛機上，瞇著眼睛向外看，你會看到一片量子炒作的陰霾在硅谷彌漫著。但是量子計算的巨大潛力是不可否認的，它所需要的硬件正在快速發(fā)展。如果想要去理解量子計算，現(xiàn)在正是一個完美的時間。

量子計算的歷史

量子計算的前身歷史始于20世紀初，當時物理學家開始意識到他們已經(jīng)失去了對現(xiàn)實的掌控。

首先，對亞原子世界公認的解釋被證明是不完整的。例如，電子和其他粒子不僅僅像牛頓撞球那樣巧妙地運轉(zhuǎn)。有時它們表現(xiàn)得像波浪一樣。量子力學的出現(xiàn)，就是為了解釋這種奇怪的現(xiàn)象，但也提出了一些令人不安的問題。比如電子的位置，在被觀察到之前是不存在的。

加州理工學院的理查德·費曼（Richard Feynman）在因其對量子理論的貢獻獲得諾貝爾獎之前的一年評論道，“沒有人理解量子力學?！彼c我們體驗世界的方式是不相容的。但是有些人很好地理解了它，重新定義了我們對宇宙的理解。20世紀80年代，他們中的一些人——包括費曼——開始琢磨像亞原子粒子“你看不到我，我就不存在”這樣的量子現(xiàn)象是否可以用來處理信息。80年代和90年代形成的量子計算機的基本理論或藍圖仍然指導著谷歌和其他從事這項技術的人。

在我們陷入量子計算0.101的黑暗淺灘之前，我們應該更新我們對普通舊計算機的理解。眾所周知，智能手表、iPhone和世界上最快的超級計算機基本上都在做同樣的事情：它們通過將信息編碼為數(shù)字比特(也就是0和1 )來執(zhí)行計算。例如，計算機可能會將電路中的電壓打開和關閉，以表示1和0。

量子計算機也使用比特進行計算。畢竟，我們希望它們能夠插入我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和計算機。但是量子比特具有獨特而強大的特性，使得一組量子比特比同等數(shù)量的傳統(tǒng)比特做得事情要更多。

量子比特可以通過不同的方式來構建，但是它們都是利用電子控制的東西的量子特性來代表數(shù)字0和1。最受歡迎的例子——至少在人類的一部分中——包括超導電路，或者懸浮在電磁場中的單個原子。量子計算的魔力在于，這種安排讓量子比特做的不僅僅是在0和1之間翻轉(zhuǎn)。如果正確運用它們，它們就可以翻轉(zhuǎn)成一種神秘的模式，被稱為疊加。

環(huán)形電纜將芯片連接到其控制系統(tǒng)的結構底部。

你可能聽說過，疊加的量子比特同時是0和1。這并不完全正確，也不完全錯誤。但重要的是要知道，在這個解釋者眼中簡化的、大膽的，我們稱之為完美的世界中，疊加的數(shù)學描述了當一個量子比特被讀出時發(fā)現(xiàn)0或1的概率——一個將它從量子疊加中崩潰為經(jīng)典現(xiàn)實的操作。量子計算機可以使用疊加的量子比特集合，來進行不同的可能路徑的計算。如果做得正確，指向不正確路徑的指針會被取消，當量子比特被讀出為0和1時，會留下正確的答案。

對于傳統(tǒng)計算機來說非常耗時的一些問題，量子計算機能夠以少得多的步驟找到解決方案。一種著名的量子搜索算法Grover的算法，只需1萬次運算，就可以在一本擁有1億個名字的電話簿中找到你。一個經(jīng)典的搜索算法平均需要5000萬次運算，才能快速瀏覽所有列表并找到你。對于Grover和其他一些量子算法來說，初始問題——或者電話簿——越大，傳統(tǒng)計算機就越容易被遺留在數(shù)字塵埃中。

我們今天沒有有用的量子計算機的原因是量子比特非常有限。它們必須控制的量子效應非常微妙，雜散熱量或噪音都可能會翻轉(zhuǎn)0和1，或者消除一個重要的疊加。量子比特必須被小心地保護起來，并在非常冷的溫度下工作，有時只有絕對零度以上的幾分之一。大多數(shù)量子計算計劃都依賴于使用量子處理器相當大的一部分能量來糾正其自身的錯誤，這些錯誤是由量子比特的誤射引起的。

最近對量子計算的樂觀，源于在減少量子比特碎片方面的進展。這讓研究人員有信心開始將這些設備捆綁成更大的組。創(chuàng)業(yè)公司Rigetti Computing最近宣布，它已經(jīng)用128個量子比特的鋁電路制造了一個處理器，這些鋁電路經(jīng)過超級冷卻使其超導。谷歌和IBM已經(jīng)宣布他們各自擁有72和50量子比特的芯片。這仍然遠遠低于使用量子計算機進行實際工作所需的數(shù)量——這可能至少需要數(shù)千臺——但就在2016年，這些公司最好的芯片只有一位數(shù)的量子比特。在對計算機科學家產(chǎn)生強大誘惑的30年后，實用的量子計算可能并不是那么接近現(xiàn)實，但它已經(jīng)開始變得更接近了。

量子計算的未來

一些大公司和政府已經(jīng)開始將量子計算研究視為一場競賽——也許更恰當?shù)貋碚f，這是一場距離終點線的距離和到達終點的獎勵都未知的競賽。

谷歌、IBM、英特爾和微軟都已經(jīng)擴大了他們在這項技術上的團隊，越來越多的創(chuàng)業(yè)公司如Rigetti都在緊追不舍。中國和歐盟各自啟動了價值數(shù)十億美元的新項目來刺激量子研發(fā)。在美國，特朗普白宮成立了一個新的委員會來協(xié)調(diào)政府在量子信息科學方面的工作。2018年向美國國會提交了幾項議案，提議為量子研究提供新的資金，總額超過13億美元。目前還不清楚量子計算的第一批殺手級應用是什么，也不清楚它們何時出現(xiàn)。但是有一種感覺，不管是誰首先使這些機器有實際效用，都會獲得巨大的經(jīng)濟和國家安全優(yōu)勢。

銅結構能夠很好地傳導熱量，并將儀器與其冷卻系統(tǒng)連接起來。

然而，回到現(xiàn)在的世界，量子處理器還太簡單了，不能進行實際工作。谷歌正在努力進行一場名為“量子霸權”的演示，其中量子處理器將在現(xiàn)有超級計算機之外解決一個精心設計的數(shù)學問題。這將是一個歷史性的科學里程碑，但并不能證明量子計算已經(jīng)能處理好真正的工作。

隨著量子計算機原型越來越大，它們的第一個實際用途可能是化學模擬。分子和原子的計算機模型對于尋找新藥或新材料至關重要。然而，傳統(tǒng)的計算機無法準確模擬化學反應過程中原子和電子的行為。為什么？因為這種行為是由量子力學驅(qū)動的，量子力學對于傳統(tǒng)機器來說太復雜了。戴姆勒和大眾都已經(jīng)開始研究量子計算作為改善電動汽車電池化學性能的方法。微軟表示，其他用途可能包括設計新的催化劑，降低工業(yè)過程的能耗，甚至從大氣中提取二氧化碳來緩解氣候變化。

量子計算機也是破解密碼的自然選擇。自90年代以來，我們就知道它們可以快速通過加密的數(shù)學基礎來保護網(wǎng)上銀行和購物等。量子處理器需要更先進才能做到這一點，但是政府和公司正在認真對待這一威脅。國家標準和技術研究所正在評估新的加密系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以在互聯(lián)網(wǎng)上進行量子驗證。

當冷卻到操作溫度時，整個組件就隱藏在這個白色的絕緣外殼里。

谷歌等科技公司也在押注量子計算機可以讓人工智能更強大的趨勢。這比化學或代碼破譯應用更進一步，但具體的細節(jié)并不太清楚，但是研究人員爭辯說，當他們和越來越大的量子處理器一起工作的時候，他們可以捕捉到更多的細節(jié)。一個希望是，量子計算機可以幫助機器學習算法使用比目前用于訓練人工智能系統(tǒng)的數(shù)百萬個例子少得多的例子來完成復雜的任務。

盡管量子計算時代何時真正開始，還存在著所有類似疊加的不確定性，但大型科技公司認為，程序員現(xiàn)在需要做好準備。谷歌、IBM和微軟都發(fā)布了開源工具來幫助程序員熟悉量子硬件的編寫程序。IBM甚至已經(jīng)開始提供對其一些量子處理器的在線訪問，所以任何人都可以嘗試使用它們。長期來看，大型計算公司可以通過向公司收取費用來訪問裝有過冷量子處理器的數(shù)據(jù)中心來賺錢。

對我們其他人來說有什么好處？盡管有一些明顯的缺點，但傳統(tǒng)計算機已經(jīng)讓生活變得更加安全、豐富和方便——我們中的許多人離一個小貓的視頻的時間距離從來不會超過五秒鐘。量子計算機時代應該有同樣廣泛的影響，但這還是未知的。