為什么說(shuō)我們需要量子計(jì)算機(jī)

在位于紐約市以北約50英里處僻靜鄉(xiāng)村中的一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，天花板下纏繞著錯(cuò)綜復(fù)雜的管線和電子設(shè)備。這一堆看似雜亂無(wú)章的設(shè)備是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它與世界上的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都有所不同，而是一個(gè)即將開(kāi)創(chuàng)歷史的里程碑式設(shè)備。

量子計(jì)算機(jī)的理論運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)或?qū)⑹沟萌藗冊(cè)谠訉用鎸?duì)物質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行模擬成為可能，從而可以重塑新材料技術(shù)；它們也可以通過(guò)無(wú)窮的算例破解現(xiàn)有的任何加密算法，重新定義網(wǎng)絡(luò)安全；它們甚至能夠通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)的有效地處理來(lái)增強(qiáng)人工智能的水平。

然而到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)幾十年的逐步發(fā)展，研究人員終于離打造出真正的量子計(jì)算機(jī)無(wú)限接近了，其強(qiáng)大的功能足以打敗任何傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)，這就是具有里程碑意義的“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）。目前來(lái)看，谷歌在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)導(dǎo)地位，而諸如英特爾和微軟等公司也都在努力前進(jìn)，而包括Rigetti Computing，IonQ和Quantum Circuits等有雄厚資金支持的創(chuàng)業(yè)公司也在迎頭趕上。

但是在量子計(jì)算領(lǐng)域，沒(méi)有誰(shuí)能夠和IBM相匹敵沒(méi)。早在50年前，IBM在材料科學(xué)方面取得了成績(jī)就奠定了計(jì)算機(jī)革命的基礎(chǔ)。這就是我為什么會(huì)在去年10月來(lái)到IBM的托馬斯·J·沃森（Thomas J. Watson）研究中心去嘗試尋找這些問(wèn)題的答案：量子計(jì)算機(jī)到底有什么好處？我們是否可以打造一款實(shí)用的，可靠的量子計(jì)算機(jī)？

為什么說(shuō)我們需要量子計(jì)算機(jī)

托馬斯·J·沃森（Thomas J. Watson）研究中心位于美國(guó)的約克敦海茨（York-town Heights），整個(gè)建筑的外觀看起來(lái)有點(diǎn)像上世紀(jì)60年代的飛碟想象圖。這座建筑由新未來(lái)主義建筑師小沙里寧(Eero Saarinen)設(shè)計(jì)，并在IBM大型機(jī)業(yè)務(wù)的鼎盛時(shí)期建造。當(dāng)時(shí)IBM是世界上最大的電腦公司，在研究中心落成的十年內(nèi)，它已成為全球第五大公司，僅位于福特和通用電氣之后。

雖然站在建筑物的走廊里可以看到鄉(xiāng)村景色，但所有辦公室都沒(méi)有窗戶。我在其中的一間密室里見(jiàn)到了這是在我遇見(jiàn)查爾斯·貝內(nèi)特（Charles Bennett）的其中一間臥室里?，F(xiàn)年70多歲的貝內(nèi)特兩鬢斑白，身處舊電腦顯示器和各種化學(xué)模型的包圍之中。他回想起量子計(jì)算就像是剛剛發(fā)生在昨天一樣。

圖示：IBM研究中心的查爾斯·貝內(nèi)特（Charles Bennett）是量子信息理論的創(chuàng)始人之一，其在IBM的工作為量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了理論基礎(chǔ)

當(dāng)貝內(nèi)特于1972年加入IBM時(shí)，量子物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的歷史，但整個(gè)計(jì)算科學(xué)仍然依賴于經(jīng)典物理學(xué)和克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon ）于20世紀(jì)50年代在麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的信息數(shù)學(xué)理論。香農(nóng)根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需的“比特”數(shù)量（這是一個(gè)他普及但沒(méi)有確定的術(shù)語(yǔ)）來(lái)定義信息量。這些比特，也就是二進(jìn)制碼的0和1是所有常規(guī)計(jì)算科學(xué)的基礎(chǔ)。

在抵達(dá)約克敦海茨一年后，貝內(nèi)特幫助奠定了量子信息理論的基礎(chǔ)，這將會(huì)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計(jì)算科學(xué)。它以原子尺度上物體的特殊性質(zhì)為基礎(chǔ)。在這個(gè)微觀尺度下，粒子可以一次顯現(xiàn)出許多種狀態(tài)（例如，許多不同的位置），也就是“疊加”態(tài)。兩個(gè)粒子也可能表現(xiàn)出“量子糾纏”，因此改變一個(gè)粒子的狀態(tài)可能會(huì)瞬間影響到另一個(gè)粒子。

貝內(nèi)特和其他人意識(shí)到，在量子現(xiàn)象的幫助下，可以有效地執(zhí)行幾種耗時(shí)甚至不可能的計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)會(huì)將信息存儲(chǔ)在所謂的量子比特，也就是量子位中。量子比特可以以1和0疊加的形式存在，并且可以使用量子糾纏和量子干涉來(lái)找到指數(shù)級(jí)大數(shù)據(jù)計(jì)算的解決方案。但是目前還難以比較量子計(jì)算機(jī)相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)到底有多大的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，但粗略地說(shuō)，只有幾百個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)執(zhí)行的計(jì)算量要比已知宇宙中的原子數(shù)量更多。

1981年夏，IBM和麻省理工學(xué)院組織了一次名為計(jì)算物理第一次會(huì)議（First Conference on the Physics of Computation）的里程碑式活動(dòng)。會(huì)議在距離麻省理工學(xué)院校園不遠(yuǎn)的法國(guó)風(fēng)格大廈Endicott House召開(kāi)。

從貝內(nèi)特與會(huì)期間的一張照片中可以看出，計(jì)算科學(xué)和量子物理史上最有影響力的幾位大人物悉數(shù)出席了此次會(huì)議。其中包括開(kāi)發(fā)第一臺(tái)可編程計(jì)算機(jī)的康拉德·楚澤（Konrad Zuse）以及量子理論的主要貢獻(xiàn)者理查德·菲利普斯·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）。費(fèi)曼在會(huì)上發(fā)表了主題演講，其中提到了使用量子效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算的想法。 “對(duì)量子信息理論的發(fā)展幫助最大的就是費(fèi)曼，”貝內(nèi)特告訴我，“他說(shuō)，’自然是量子的，該死的！所以如果我們想模擬它，我們需要一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)?！?/p>

IBM的量子計(jì)算機(jī)，也是現(xiàn)存最有前途的計(jì)算機(jī)，就位于貝內(nèi)特辦公室下面的的大廳里。該機(jī)器被用于創(chuàng)建和操縱量子計(jì)算機(jī)中的基本元素：存儲(chǔ)信息的量子比特 。

夢(mèng)想與現(xiàn)實(shí)之間的差距

IBM的量子計(jì)算機(jī)利用了超導(dǎo)材料中發(fā)生的量子現(xiàn)象。例如，有時(shí)超導(dǎo)材料中的電子會(huì)同時(shí)進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針的移動(dòng)，這就是量子現(xiàn)象。 IBM的量子計(jì)算機(jī)使用了超導(dǎo)電路，其中兩個(gè)不同的電磁能量狀態(tài)組成量子比特。

超導(dǎo)方法具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。其中的硬件可以使用現(xiàn)有的完善制造方法制造出來(lái)，并且能夠通過(guò)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)。超導(dǎo)電路中的量子比特比單個(gè)光子或離子更容易操作，也沒(méi)有那么敏感。

圖示：IBM將量子計(jì)算機(jī)連接至云端

在IBM的量子實(shí)驗(yàn)室里，工程師們正在研究一個(gè)具有50個(gè)量子位的計(jì)算機(jī)。你可以在一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行簡(jiǎn)單的量子計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，但是不可能模擬多達(dá)50個(gè)量子比特。這意味著IBM理論上正在接近量子計(jì)算機(jī)可以解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題奇點(diǎn)：換句話說(shuō)，也就是量子霸權(quán)。

但正如IBM的研究人員告訴你的，量子霸權(quán)是一個(gè)難以捉摸的概念。你需要50個(gè)量子比特全部正常運(yùn)行才能夠起作用，而實(shí)際上量子計(jì)算機(jī)卻被需要糾正的錯(cuò)誤所困擾。在任何時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)維持量子比特得狀態(tài)都非常困難;他們傾向于“退貨”，或者失去其微妙的量子特性，就像煙圈會(huì)在最輕微的氣流中散開(kāi)一樣。而量子比特位越多就越發(fā)困難。

“如果你有50或100個(gè)量子比特可以正常運(yùn)行，又能夠?qū)崿F(xiàn)完全糾錯(cuò)，那么你就可以進(jìn)行前所未有的計(jì)算，任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)都無(wú)法復(fù)制的計(jì)算，”耶魯大學(xué)教授、Quantum Circuits公司的創(chuàng)始人羅伯特舍爾科普夫（Robert Schoelkopf）表示，“量子計(jì)算的另一個(gè)問(wèn)題在于，它出錯(cuò)的方式簡(jiǎn)直是指數(shù)級(jí)的。”

另一個(gè)值得注意的問(wèn)題是，即使是堪稱完美的量子計(jì)算機(jī)作用也并不明顯。它并不會(huì)簡(jiǎn)單地加快任務(wù)處理速度;事實(shí)上，對(duì)于許多計(jì)算來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度比傳統(tǒng)機(jī)器還要慢。迄今為止，只有少數(shù)特別設(shè)計(jì)的算法在量子計(jì)算機(jī)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。即使對(duì)于這些算法來(lái)講，優(yōu)勢(shì)也往往是短暫的。最著名的量子算法是由彼得舒爾（Peter Shor）在麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的關(guān)于計(jì)算蒸熟質(zhì)因數(shù)分解問(wèn)題的算法。許多常見(jiàn)的密碼方案都依賴于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)。但是密碼學(xué)可以進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，創(chuàng)造出不依賴于因數(shù)分解的新型加密代碼。

圖示：IBM量子計(jì)算機(jī)中的芯片所處環(huán)境被降至15開(kāi)爾文

即便已經(jīng)接近50個(gè)量子比特的歷史臨界點(diǎn)，但I(xiàn)BM自己的研究人員依舊熱衷于消除關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的炒作問(wèn)題。在走廊上的一張桌子邊向外望去是郁郁蔥蔥的草坪，這里我遇到了Jay Gambetta，一位身材高大，性情隨和的澳大利亞人，他研究關(guān)于IBM量子計(jì)算機(jī)的量子算法和潛在應(yīng)用。 “我們處在這個(gè)獨(dú)特的階段，”他表示，小心翼翼地進(jìn)行措辭， “我們的設(shè)備比你在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的模擬要復(fù)雜得多，但它的精度還無(wú)法控制，因?yàn)槟悴⒉皇智宄撊绾螒?yīng)對(duì)量子算法?！?/p>

賦予IBM研究人員希望的是這樣一種情況，那就是不完善的量子計(jì)算機(jī)也可能是有用的。

Gambetta和其他研究人員已經(jīng)注意到費(fèi)曼在1981年設(shè)想的應(yīng)用?；瘜W(xué)反應(yīng)和材料性質(zhì)取決于原子和分子之間的相互作用。這些相互作用受量子現(xiàn)象的支配。量子計(jì)算機(jī)至少在理論上可以模擬出常規(guī)方法無(wú)法處理的那些模型。

去年，IBM研究人員Gambetta和他的同事們使用了7個(gè)量子比特的機(jī)器來(lái)模擬氫化鈹?shù)木_結(jié)構(gòu)。雖然僅僅只有三個(gè)原子，但它是用量子系統(tǒng)建模的最復(fù)雜分子。最終，研究人員可能會(huì)使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)更高效的太陽(yáng)能電池，更有效的藥物或可以將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為清潔燃料的催化劑。

這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還有很長(zhǎng)的路要走。但是，Gambetta說(shuō)，人們或?qū)⒛軌驈囊慌_(tái)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)配對(duì)的易錯(cuò)量子機(jī)器中獲得有價(jià)值的結(jié)果。

從物理學(xué)家的夢(mèng)想到工程師的噩夢(mèng)

“關(guān)于量子計(jì)算機(jī)概念炒作的積極作用是認(rèn)識(shí)到量子計(jì)算實(shí)際上是真實(shí)的，”麻省理工學(xué)院教授艾薩克·莊（Isaac Chuang）如是指出， “它不再是物理學(xué)家的夢(mèng)想，而是工程師的噩夢(mèng)?！?/p>

在九十年代后期和二十一世紀(jì)初，莊在位于加州阿爾馬登的IBM公司工作，領(lǐng)導(dǎo)了早期量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)。雖然現(xiàn)在莊不再?gòu)氖孪嚓P(guān)工作，但他認(rèn)為我們正處于一個(gè)巨大起點(diǎn)之上——量子計(jì)算最終將在人工智能中發(fā)揮作用。

但他也懷疑顛覆不會(huì)真正到來(lái)，直至新一代的學(xué)生和黑客開(kāi)始使用實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)不僅需要不同的編程語(yǔ)言，而且需要根本不同的思維方式來(lái)編程。正如Gambetta所說(shuō)：“事實(shí)上，我們并不知道量子計(jì)算機(jī)上’Hello，world'的含義是什么?！?/p>

我們正在開(kāi)始發(fā)現(xiàn)本質(zhì)。 2016年，IBM將一臺(tái)小型量子計(jì)算機(jī)連接到云端。用戶使用稱為QISKit的編程工具包可以在云上運(yùn)行簡(jiǎn)單的程序;從學(xué)術(shù)研究人員到小學(xué)生在內(nèi)的成千上萬(wàn)的人都已經(jīng)開(kāi)發(fā)了運(yùn)行基本量子算法的QISKit程序?，F(xiàn)在谷歌和其他公司也在將他們的量子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)在你不能用量子計(jì)算機(jī)做很多事情，但至少可以嘗試一下可能會(huì)發(fā)生的事情。

創(chuàng)業(yè)社區(qū)對(duì)量子計(jì)算機(jī)也越來(lái)越興奮。看過(guò)IBM的量子計(jì)算機(jī)后不久，我去了多倫多大學(xué)商學(xué)院，參加了量子創(chuàng)業(yè)公司的一場(chǎng)競(jìng)賽。一群初創(chuàng)公司企業(yè)家向一群教授和投資者展示他們的想法。一家公司希望用量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬金融市場(chǎng)。另一個(gè)則計(jì)劃用量子計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)新的蛋白質(zhì)。還有一個(gè)想要開(kāi)發(fā)更高級(jí)的人工智能系統(tǒng)。一切皆有可能，但唯一可以得到確認(rèn)的是，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的業(yè)務(wù)都建立在一種革命性的技術(shù)基礎(chǔ)上，而這種技術(shù)幾乎不存在。幾乎沒(méi)有人會(huì)因?yàn)檫@個(gè)事實(shí)而感到害怕。

如果第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)找到實(shí)際用途過(guò)于緩慢，那么這種熱情就會(huì)逐漸消散。那些真正了解對(duì)于諸如貝內(nèi)特和莊等真正了解量子計(jì)算機(jī)的專家來(lái)說(shuō)，他們的最佳猜測(cè)是，第一批實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的誕生還有幾年的時(shí)間。同時(shí)，這也要假設(shè)管理和操縱大量量子比特并不是一個(gè)棘手問(wèn)題。

不過(guò)，專家們依舊抱著希望。當(dāng)我問(wèn)莊，當(dāng)我兩歲的兒子長(zhǎng)大以后，世界會(huì)變成什么樣子，他笑著回應(yīng)， “也許你的孩子將有一個(gè)能夠開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)的工具包。”