量子計算機賽道上從不缺優(yōu)秀競爭者,誰會是這場馬拉松的最后贏家?

摘要：擁有高出普通計算機數(shù)十乃至數(shù)百倍算力的量子計算機，是吸引了無數(shù)科技公司、大型學(xué)術(shù)團(tuán)體乃至中國政府的研發(fā)熱點。然而，希伯來大學(xué)的數(shù)學(xué)家、耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)兼職教授吉爾·卡萊（Gil Kalai）卻表示，由于量子力學(xué)基本原理的限制，現(xiàn)有的主流技術(shù)永遠(yuǎn)無法使量子計算機成功進(jìn)入實際應(yīng)用。這種觀點引發(fā)了圈內(nèi)人士激烈的爭論，也讓我們開始思考：在競爭激烈的賽道上，到底誰能夠最終實現(xiàn)超越普通計算機的“量子霸權(quán)”？

法國和瑞士的邊境線上，大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）正在地底沉眠。未來幾年里，這臺世界上最大的粒子加速器將得到升級，而功能的增強會帶來更加巨大的數(shù)據(jù)流——甚至可能到達(dá)高能物理學(xué)領(lǐng)域前所未見的數(shù)量級。

在 2018 年 12 月被關(guān)閉之前，LHC 每秒大約能產(chǎn)生 300 GB 的數(shù)據(jù)，一年下來數(shù)據(jù)量就能累積高達(dá) 25 拍字節(jié)（petabytes , 簡稱 PB。1 PB = 1024 TB）。換句話說，同等大小的 MP3 歌曲，一個人要用 5 萬年才能聽完。在 LHC 升級完成后，歐洲核子研究組織（ European Organization for Nuclear Research，通稱 CERN）的科學(xué)家必須擁有比現(xiàn)在高 50 到 100 倍的計算機算力才能處理好隨之而來的數(shù)據(jù)。而尚處藍(lán)圖階段的未來環(huán)形對撞機（Future Circular Collider, FCC），規(guī)模是 LHC 的 4 倍，強度則是 10 倍，將會產(chǎn)生難以想象的海量數(shù)據(jù)——至少是 LHC 的 2 倍。

為了不被步步逼近的數(shù)據(jù)洪流淹沒，CERN 的一些成員開始將目光投向新興的量子計算領(lǐng)域。 在 LHC 正在探查的自然法則驅(qū)動下，量子計算機在極短時間內(nèi)處理海量數(shù)據(jù)將成為可能。更重要的是，量子計算機和 LHC “語言相通”——量子力學(xué)是它們共同的基石。問題是，目前我們只擁有量子計算的理論原型，沒人有把握能建起一個真正的、可靠的量子計算設(shè)備。

量子計算機

無論是 Apple Watch 還是計算能力卓越的超級計算機，這些傳統(tǒng)計算機都依賴于微小硅晶體管，通過類似“開、關(guān)”的狀態(tài)轉(zhuǎn)換來編碼數(shù)據(jù)。每個電路只存在兩個狀態(tài)——二進(jìn)制代碼中的 1（開）或 0（關(guān)）; 計算機通過控制電路中的電壓來轉(zhuǎn)換“開、關(guān)”狀態(tài)，完成編碼。

不過，量子計算機并不拘泥于這種“非 1 即 0”的存儲運算方式。它的內(nèi)存由量子比特（quantum bits）組成。量子比特可以做到“既 1 又 0”，這意味著量子計算機可以疊加所有可能的 0 和 1 組合——讓“1”和“0”的狀態(tài)同時存在。

對 CERN 來說，量子計算機可以幫助他們了解大爆炸之后的幾分鐘內(nèi)，早期宇宙的演變過程。物理學(xué)家確信，大爆炸剛剛結(jié)束后，整個宇宙是一鍋狀態(tài)奇特的“湯”，“燉著”被稱為夸克（quark）和膠子（gluon）的亞原子粒子。為了理解這種夸克-膠子等離子體怎樣演變成宇宙如今的樣子，研究人員模擬出了宇宙嬰兒期的狀況，然后在 LHC 上利用多次對撞實驗測試這一模型。因為量子計算和 LHC 中不停對撞的粒子被相同的物質(zhì)法則支配，所以利用量子計算機進(jìn)行模擬，可以得到更為精確的測試模型。

LHC | 圖片來源：Futurism

一場馬拉松

在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域之外，銀行、制藥公司和政府也在苦苦等待——因為量子計算機可以提供比傳統(tǒng)計算機高幾十甚至上百倍的算力。

不僅是谷歌，IBM、微軟和英特爾，一些創(chuàng)業(yè)公司、學(xué)術(shù)團(tuán)體甚至中國政府都加入了量子計算機研發(fā)的競爭中。這場“競賽”的投入相當(dāng)豐厚：2018 年 10 月，歐盟承諾在未來十年里，為 5,000 余名歐洲量子技術(shù)研究人員提供 10 億美元的經(jīng)費。與此同時，風(fēng)險投資人僅在 2018 年一年間，就為研究量子計算的各種公司投入了約 2.5 億美元。悉尼大學(xué)微軟量子實驗室的負(fù)責(zé)人大衛(wèi)·雷利（David Reilly）評價說：“這是一場馬拉松，而我們在這場馬拉松里才剛跑了 10 分鐘。”

盡管圍繞量子計算的炒作不斷，新發(fā)布的量子比特記錄每次都會引起媒體大肆報道，但其實沒有一個研究團(tuán)隊達(dá)到甚至接近量子計算研究的第一個里程碑——“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）。它指的是量子計算機在執(zhí)行任務(wù)時，能夠超越經(jīng)典計算機，表現(xiàn)得更好。這些任務(wù)可以是任何形式的，甚至可以是完全人為編造或毫無意義的。量子計算圈內(nèi)很多傳言稱，谷歌可能已經(jīng)接近了量子霸權(quán)，但悉尼大學(xué)的物理學(xué)家、量子計算創(chuàng)業(yè)公司 Q-CTRL 的創(chuàng)始人邁克爾·比埃庫克（Michael Biercuk）認(rèn)為，即使這是真的，最多也就是給公司制造了一個吹噓的資本。雷利則表示：“這更像是一個人為設(shè)置的、用于吸引眼球的花招?！瓫]有任何現(xiàn)實意義。”

雷利和比埃庫克之所以這樣說，是因為這場馬拉松真正意義上的分水嶺——“量子優(yōu)勢”（quantum advantage）比“量子霸權(quán)”更加遙遠(yuǎn)。量子優(yōu)勢指的是量子計算機在一項具有實際意義的任務(wù)上勝過經(jīng)典計算機。（也有一些研究者認(rèn)為 “量子霸權(quán)”和“量子優(yōu)勢”這兩個術(shù)語的意義是相同的。）只有達(dá)到了量子優(yōu)勢，馬拉松比賽的終點線才得以顯現(xiàn)：通用量子計算機的誕生。人們希望通用量子計算機能夠帶來一場“計算革命”：在它的幫助下，我們可以設(shè)計出用于拯救生命的藥物新分子、幫助銀行調(diào)整其風(fēng)險投資組合、突破所有現(xiàn)行密碼學(xué)規(guī)則并開發(fā)出更強大的保密系統(tǒng)……而對于 CERN 的科學(xué)家來說，那可以讓他們一窺大爆炸帶來的新生宇宙的真面目。

CERN 的物理學(xué)家費德里科·卡米納蒂（Federico Carminati）承認(rèn)，今天的量子計算機難以給研究人員提供比傳統(tǒng)電腦更多的東西。但在等待技術(shù)成熟的過程中，不畏艱難的他已經(jīng)開始修補 IBM 的量子計算機原型——這是當(dāng)今量子馬拉松中我們邁出的最新一步。2018 年 11 月，CERN 和 IBM 在一個行業(yè)研討會上達(dá)成了合作協(xié)議。

IBM 一直在穩(wěn)步增加其量子計算機上的量子比特數(shù)量，從微型的 5 比特（5-qubit）開始，發(fā)展到 16 和 20 量子比特（16- and 20-qubit），直到最近的 50 量子比特（50-qubit）處理器。CERN 研究人員則開始開發(fā)全新的算法和計算模型，旨在與量子設(shè)備協(xié)同發(fā)展?？准{蒂說：“這次合作的基礎(chǔ)是我們與技術(shù)提供商建立了穩(wěn)固的關(guān)系，這是我們量子計算研究的第一步。盡管我們?nèi)刖钟悬c晚，但是能帶來獨特的專業(yè)知識。要知道我們是量子力學(xué)專家，而量子力學(xué)是量子計算的基石?！?/p>

IBM的Q System One 量子計算機 | 圖片來源IBM

取代傳統(tǒng)計算機？

英特爾前 CEO 戈登·摩爾（Gordon Moore）在 1965 年做出的著名預(yù)測——“集成電路中的元件數(shù)量大約每兩年增加一倍”——在過去的半個多世紀(jì)成為了計算機行業(yè)的圣經(jīng)。但是越來越多的人認(rèn)為，摩爾定律即將達(dá)到物理極限。20 世紀(jì) 80 年代以來，被加州理工學(xué)院著名物理學(xué)家理查德·費曼（Richard Feynman）發(fā)揚光大的“另一種方法”為計算機行業(yè)找到了新的出路。在 1981 年的一次演講中，他感嘆計算機無法真正模擬在亞原子水平上發(fā)生的事情，比如電子和光子這樣棘手的粒子——有時波函數(shù)能描述其運動，但它們有時又同時呈現(xiàn)兩個狀態(tài)，即量子疊加態(tài)。

費曼提議建造一臺可以模擬亞原子水平粒子運動的機器。 “對于所有分析都依據(jù)經(jīng)典理論這件事，我并不是很欣賞，自然世界他么的可不等于經(jīng)典理論?！彼@樣講道，“如果想模擬自然，最好用量子計算機。這絕對是個好主意，因為它聽上去可不怎么容易?！?/p>

自此，量子計算機研究的馬拉松鳴槍開跑。量子比特可以用不同的方式構(gòu)造出來，但這一過程必須遵循一定的規(guī)則：兩個量子比特可以同時處于狀態(tài) A 或 B，也可以分別處于狀態(tài) A 和 B，所以總共有四種可能情況。不過在測量之前，你很難知道量子比特的具體狀態(tài)。所以要了解其具體狀態(tài)，就必須將量子比特拉出量子世界，進(jìn)入我們所在的平凡世界。

理論上量子計算機可以同時處理量子比特能夠擁有的所有狀態(tài)，內(nèi)存中每增加一個量子比特，它的計算能力應(yīng)該呈指數(shù)式增長。3 個量子比特有 8（2^3）個狀態(tài)可以同時工作；4 個量子比特有 16（2^4）個狀態(tài)； 10 個量子比特有 1024（2^10）個狀態(tài); 對于 20 個量子比特，則會有高達(dá) 1,048,576（2^20）個狀態(tài)。我們甚至不需要太多量子比特，就可以超越世界上最頂尖的超級計算機的內(nèi)存配置。而這就意味著，對于特定的任務(wù)，量子計算機可以比世界上所有常規(guī)計算機更快地找到解決方案。再加上量子力學(xué)的另一個關(guān)鍵概念：糾纏態(tài)（entanglement）。這意味著量子比特可以鏈接到整個量子系統(tǒng)，這樣對一個量子比特的操作就可以影響到系統(tǒng)的其余部分。而量子計算機可以同時利用以上兩項優(yōu)勢，大大提高其計算能力。

許多機構(gòu)正在量子計算機馬拉松中全力前行之時，還有很多公司和實驗室利用不同的方法，和自己比賽。2018 年，來自加州理工學(xué)院和南加州大學(xué)的物理學(xué)家，使用量子計算機對 LHC 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，成功復(fù)制了 2012 年希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)過程。這臺量子計算機由 D -Wave 制造，這家來自加拿大的公司盡管沒有實現(xiàn)“量子霸權(quán)”，但是他們證明了量子計算機能夠完成傳統(tǒng)計算機完成過的工作。

超越之路

這場馬拉松中最早踏上跑道的運動員之一，D-Wave，在 2007 年宣布成功建造了一個功能齊全的商用 16-qubit 量子計算原型機，不過這一說法至今仍存在爭議。 D-Wave 專注于一種被稱為“量子退火”（quantum annealing）的技術(shù)，以現(xiàn)實世界中量子系統(tǒng)自然趨向低能態(tài)的原理（有點像陀螺轉(zhuǎn)到最后總會倒下）為基礎(chǔ)。 D-Wave 量子計算機將問題的可能解決方案視為地面上的山峰和山谷，用坐標(biāo)來表示，而這些峰和谷的高度則代表其能量。量子退火允許設(shè)置問題的初始值，然后讓系統(tǒng)在大約 20 毫秒內(nèi)降落到低能態(tài)，從而得到答案。在這個過程中，量子計算機會從能量高峰下落，直至找到廣闊地面中的最低點——也就是眾多解決方案中的最優(yōu)解。但是它并不試圖完全糾正所有錯誤，這在量子計算中是不可避免的。D-Wave 的首席產(chǎn)品官阿蘭·巴拉茲（Alan Baratz）表示，公司正在研究可以通用的退火式量子計算機原型。

D-Wave的量子計算機2000Q | 圖片來源：theverge.com

除了 D-Wave 的量子退火技術(shù)，還有三種巧妙利用量子世界的方法：集成電路（integrated circuits）、拓?fù)淞孔颖忍兀╰opological qubits）和激光捕獲離子（ions trapped with lasers）。CERN 對第一種方法寄予厚望，但也在密切關(guān)注其他方面的進(jìn)展。

IBM 研制的量子計算機剛開始被 CERN 投入使用，谷歌和英特爾也有類似的產(chǎn)品。他們都以超導(dǎo)金屬，即零電阻的金屬為載體，制造了具備集成電路的量子芯片“量子門”（quantum gates）。每個量子門都包含一對極易受到干擾的量子比特。任何噪聲信號都將破壞這對量子比特并導(dǎo)致誤差。在量子世界中，溫度波動、電磁波、聲波和物理振動等等任何干擾都屬于噪聲信號。

量子門芯片需要被冷卻到極低的溫度，才能最大程度擺脫外界噪聲，并使電路具有量子力學(xué)效應(yīng)。坐落在蘇黎世的 IBM 量子實驗室中，芯片被安裝在一個白色的罐子里，那是一個懸掛在天花板上的低溫恒溫器。罐內(nèi)溫度穩(wěn)定在 10 毫開爾文（millikelvin，mk）或 -273℃，這個溫度高于絕對零度（-273.15℃），但低于外太空溫度（-270.15℃）。不過即使如此低的溫度，也無法讓量子門達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

使用量子比特芯片時，科學(xué)家開始操作都會產(chǎn)生噪聲。2012 年創(chuàng)造了“量子霸權(quán)”概念的加州理工學(xué)院物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）表示：“外部世界會不斷與量子芯片相互作用，并破壞我們正在努力處理的信息?！庇捎谧霾坏酵耆肼暎芯咳藛T只好盡可能地抑制它。而超低溫狀態(tài)下，至少量子芯片具有一定的穩(wěn)定性，能給研究人員更多的時間來進(jìn)行量子計算。

“我的工作就是延長量子比特的壽命，而且我們總共只有 4 個量子比特可用?！痹谔K黎世實驗室（Zurich lab）工作的牛津大學(xué)博士后 Matthias Mergenthaler 說。4 個聽起來不是很多，不過對量子比特來說，質(zhì)量比數(shù)量重要。而這就意味著，研究人員要保持盡可能低的噪聲水平，以確保它們盡可能長時間地處于疊加態(tài)，從而允許量子計算的進(jìn)行。這正是量子計算面臨的最大挑戰(zhàn)之一：需要極其精細(xì)的降噪手段。

一旦降噪成功，研究人員就會在傳統(tǒng)計算機上運行的特殊糾錯算法的幫助下，對量子計算遺留下的問題進(jìn)行糾錯。這種糾錯方式是對每個量子比特逐個糾正，所以量子比特越多，系統(tǒng)需要處理的錯誤就越多。假設(shè)量子計算機每 1,000 個計算步驟出錯 1 次（這聽起來不多），但經(jīng)過 1,000 次左右的操作后，程序?qū)⑤敵鲥e誤結(jié)果。所以，為了輸出有意義的計算結(jié)果并超越傳統(tǒng)計算機，量子計算機必須擁有大約 1,000 個處于較低的噪聲水平、并且得到了糾錯的量子比特。這 1,000 個量子比特作為一個整體，被研究人員稱做邏輯量子比特（logical qubit）。不過，這樣的邏輯量子比特到目前為止還難以成功維持——目前最好的量子計算原型機所能實現(xiàn)的對量子比特的糾錯，也只有 10 個。這就是它們被命名為“噪聲中尺度量子計算機（noisy intermediate-scale quantum computers , NISQ）”的原因。NISQ 這個術(shù)語誕生于 2017 年，和“量子霸權(quán)”一樣，命名者也是普雷斯基爾。

對于 CERN 的物理學(xué)家卡米納蒂來說，雖然量子計算機遠(yuǎn)離一個成熟技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)還很遠(yuǎn)，但這不是主要問題。他們面臨的挑戰(zhàn)是，做好在硬件條件滿足要求時，釋放量子計算機強大算力的準(zhǔn)備。 “一個令人興奮的可能是，我們可以用量子計算機對量子系統(tǒng)進(jìn)行非常非常精確的模擬，畢竟它本來就是一個量子系統(tǒng)，”他說，“其他開創(chuàng)性突破將來自量子計算和人工智能對大數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析。這是個相當(dāng)雄心壯志的構(gòu)想，對我們的需求至關(guān)重要?！?/p>

各顯神通

但也有一些物理學(xué)家認(rèn)為，我們永遠(yuǎn)不可能為噪聲中尺度量子計算機（NISQ）降噪成功。耶魯大學(xué)教授吉爾·卡萊（Gil Kalai）表示，糾錯系統(tǒng)和降噪技術(shù)永遠(yuǎn)都不可能發(fā)展到足夠成熟、能夠允許量子計算機進(jìn)行有實際用途的計算的程度。他說，這不是技術(shù)原因，而是來自量子力學(xué)基本原理的限制。交互系統(tǒng)中的錯誤有連接或關(guān)聯(lián)的傾向，這意味著錯誤會同時影響許多量子比特。因此，對需要依靠大量量子比特完成計算的量子計算機而言，通過創(chuàng)建糾錯代碼來保持足夠低的噪聲水平，是不可能完成的。

“我的分析表明，幾十個量子比特的 NISQ 提供的算力極為低下，根本不可能作為模塊組成我們所需的更大規(guī)模的量子計算機?！奔獱枴たㄈR表示。這種懷疑論在科學(xué)界被熱議，卡萊等人的博客是討論者的聚集地。這里最近出現(xiàn)了一篇分享次數(shù)不少的文章，題為《反對量子計算的案例》（The Case Against Quantum Computing）。而緊隨其后的就是對這篇文章的駁斥，《對反對量子計算的案例的反對》（The Case Against the Case Against Quantum Computing）。

目前，這些批評家仍然是少數(shù)。加拿大滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）的物理學(xué)家雷·拉夫蘭姆（Ray Laflamme）認(rèn)為：“如果我們能將量子比特保持在測量時的狀態(tài)和規(guī)模，那么（量子計算機的準(zhǔn)確性）就沒什么問題?！?現(xiàn)在的著眼點并非能否達(dá)到 50、72 或 128 個量子比特，而是將量子計算機擴(kuò)展到這樣的規(guī)模后，整體誤差率是否會顯著提高。

其他科學(xué)家則認(rèn)為，用另一種方式構(gòu)造量子比特，才是抑制噪聲與創(chuàng)建邏輯量子比特的最佳方法。比如微軟的研究人員正在研發(fā)拓?fù)淞孔樱╰opological qubits）——盡管其世界各地的量子實驗室眾多，但時至今日也沒人成功。如果這種拓?fù)淞孔幽軌虺晒柺?，它們將比集成電路穩(wěn)定很多。微軟的思路是把一個粒子（比如電子）割裂為兩部分，從而創(chuàng)造出馬約拉納費米子準(zhǔn)粒子（Majorana fermion quasi-particles）。這種粒子在 1937 年被理論化，并于 2012 年由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（Delft University of Technology）的研究人員在微軟的凝聚態(tài)物理實驗室，獲得了證明其存在的首個實驗證據(jù)。

微軟的量子硬件（quantum hardware）總經(jīng)理切坦·納亞克 (Chetan Nayak) 表示，“目前我們的 1 個拓?fù)淞孔颖忍叵喈?dāng)于市場上的 1,000 個其他量子比特?！?換句話說，每個拓?fù)淞孔颖忍乇旧砭湍軜?gòu)成一個邏輯量子比特。雷利認(rèn)為，對這些行蹤縹緲難以捉摸的量子比特的研究是值得的，雖然幾年來進(jìn)展甚微，不過一旦成功，將這種拓?fù)淞孔颖忍財U(kuò)展到數(shù)千邏輯量子比特的規(guī)模，會比 NISQ 的降噪要容易得多。 “對我們來說，嘗試在不同的量子模擬器和硬件上運行代碼和算法，以期得到最終的解決方案十分重要，”卡米納蒂說。 “當(dāng)然，還沒有量子計算機能達(dá)到量子產(chǎn)品的黃金時期，我們也一樣。”

卡米納蒂正在密切關(guān)注的另一家公司是 IonQ，它是一家從馬里蘭大學(xué)誕生的創(chuàng)業(yè)公司。他們利用第三種方法來研究量子計算：捕獲離子（trapping ions）。 這些離子是天然的量子，所以一開始在室溫下就具有疊加效應(yīng)，這意味著它們不像 NISQ 的集成電路那樣需要超低溫條件。每個離子都是一個量子比特，研究人員用特制的微小硅離子籠捕獲它們，然后用激光照射，通過調(diào)整每個微小激光束擊中量子比特的時間和強度來運行算法。光線會將數(shù)據(jù)編碼到這些被捕獲的離子中，并通過改變每個離子的電子狀態(tài)讀取數(shù)據(jù)。

IonQ 在 2018 年 12 月推出了商業(yè)化產(chǎn)品，這款量子計算機搭載了 160 個離子量子比特，并可以在 79 個量子比特組成的序列上執(zhí)行簡單的量子操作。不過，目前這種離子量子比特同谷歌、IBM 和英特爾的集成電路一樣有著較大的噪聲信號。無論 IonQ，還是世界上其他同樣利用激光捕獲離子方法的實驗室，還沒有人實現(xiàn)量子霸權(quán)。

量子計算機相關(guān)的討論和炒作沸沸揚揚，然而時間不等人。短短五年內(nèi)，LHC 就將從沉眠中醒來，變得更加強大。它產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行分析。一個沒有噪聲信號、具備糾錯功能的量子計算機，將會使數(shù)據(jù)分析這項原本繁重的工作變得輕巧而便捷。量子計算機賽道上從不缺優(yōu)秀競爭者，誰會是這場馬拉松的最后贏家？