顛覆性科學——量子計算正當時

知識 07-13

編譯：蔡姝凝

量子計算，這個概念或許有些令人費解。清晰的是，量子計算機能夠解決傳統計算機根本無法或難以解決的問題，它有可能在未來幾年改變世界。

量子粒子的運動規則非常「瘋狂」，能夠快速前進後退，甚至能夠進行所謂的瞬間移動。這種在科幻小說中看到的場景，是所謂的「量子隧道效應」，在量子世界裡尋常之極。

自從1830年代查爾斯·巴貝奇提出分析引擎的概念以來，計算機科學一直在強有力地推動人類社會的發展。尤其是過去的75年，全球科技的時間軸中湧現出許多驚人的發展——第一個電子可編程計算機，第一個集成電路電腦，第一個微處理器。而下一個重大發明，量子計算技術，可能是最具革命性的。這項技術能引領科學家、企業家和眾多產業飛躍到「未來模式」。量子技術有驚人潛力，一台量子計算機的能力是目前世界上所有計算機加起來的好幾倍。

顛覆性科學——量子計算正當時

YouTube有個視頻異常火熱，點擊率幾百萬，內容是加拿大總理特魯多介紹量子計算。當時，特魯多正在訪問安大略省的圓周理論物理研究所，這是世界領先的研究中心。「經典計算機（普通計算機）的工作原理是二進位系統，每個比特只能有兩種狀態，非『1』即『』。而量子計算的區別在於，由於存在波粒二象性，量子的物理狀態不確定，因此量子計算機的一個比特可以包含更多信息。簡單的說就是將更多的信息存儲於更小的計算機中，這就是量子計算機讓人激動的原因所在」。特魯多通俗易懂的解釋贏得了滿堂喝彩。

量子計算是一個非常新的概念，最早在1981年提出。當年，IBM和麻省理工學院聯合主辦的計算機物理學會議上，美國理論物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德 ·費曼提出了基於量子原理的新型計算機理論。如今，這個會議已被載入計算機發展史冊，是人類科技發展中熠熠閃光的時刻。

數十億平行宇宙共存？

量子計算機夢想照進現實，或許還路漫漫兮，目前仍然駐留在理論階段，世界各地的尖端研究人員都在攻堅這項技術，而加拿大的D-wave公司或許是最接近實際應用的。

D-wave已經建造出了世界上第一台功能性量子計算機，它是量子理論的第一次試水。這台量子計算機存放在寒冷的保護殼中，或者說，它存放在世界上最冷的「冰箱」里。冷卻裝置使計算機鈮晶元的溫度低於-273度，極寒環境能保證量子活動相互疊加，粒子開始相互依存而又神秘地相互作用，任何熱量或光線入侵都會打斷鈮晶元的運行。

至於量子計算機的科學原理是什麼，這個問題，連科學界也沒有定論，目前沒有人能夠真正了解量子計算機的內部會發生什麼。最常見的理論是，不同的量子態存在於不同的宇宙之中。

D-wave量子計算機有一千個量子，「一千量子的計算機存在2的1000次方個量子態，」D-wave首席執行官弗恩布勞內爾說道，「現在，D-wave量子計算機的出現，或許意味著能同時存在2的1000次方個宇宙。」

一台計算機內可以有數十億不同宇宙共存？這種問題聽著就讓人興奮。或許量子技術真的將徹底拓展人類知識的邊界，成為一座時光機，載著整個世界進入未來時代。

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投資風向標

D-wave 2 x量子計算機標價超過1500萬美元，迄今為止，只有少數機構購買。購買者包括谷歌、洛克希德馬丁公司和美國國家航空航天局，以及D-wave的投資方亞馬遜的傑夫·貝佐斯和美國中情局的高科技部門In-Q-Tel。很明顯，這些世界上最具前瞻性的機構相信量子計算機未來潛力無限。

在人工智慧和密碼學等領域，科學人員普遍認為量子計算將帶來革命性的突破。也許，通過量子計算，機器能夠擁有像人類一樣洞察細微的能力。

D-wave CEO布勞內爾曾是高盛首席技術官，他感知科技動向的能力有如獵豹一般。他認為，「矽谷的創新水平還很低。即使有Facebook這樣成功的企業，矽谷整體的科技創新遠遠低於我們歷史中的那種真正改變世界的創新能力」。然而，D-wave的出現徹底改變了他的看法。

這台革命性計算機的核心用途是優化，「優化存在於每一個學科之中，它用來解決最複雜的核心問題。」布勞內爾說，列舉了基因組學、經濟學和醫學有很多優化問題的學科，「例如，用蒙特卡羅方法來分析金融業的不同利率情況，需要經典電腦創建複雜的模型，需要大量的計算能力。而這種情況下，量子計算或許能幫上大忙。」

D-wave的願景是計算機綠色革命，希望每個人都能通過雲連接到更高效節能的量子計算機。布勞內爾認為，在未來幾年後，人們甚至可以用手機訪問量子計算機，「我認為D-wave可能會成為歷史上最有價值的科技公司之一，我們主導著量子計算未來幾十年的發展」。

顛覆性科學——量子計算正當時

質疑伴路道阻且長

D-wave的共同創立者基尼羅斯是一位44歲的物理學博士。他在創業之初，提出了一個當時非常新穎的想法——建立一個充滿商業吸引力的量子計算機。當時，已經有很多實驗用量子計算機存在於實驗室之中，但都沒有帶來顯著的成功。

羅斯選擇開發一個絕熱量子計算機，也就是D-wave，它通過所謂「量子退火」來運作。量子退火是一種專業演算法，通過讓量子效應緩慢下降（「絕熱演化」），找到一個近似最優解。「退火」源於熱力學中的退火過程，這也是D-wave要藏在「冰箱」里的原因。

建造這樣一台量子計算機困難重重，道阻且長，早期的結果也令人沮喪。那時候，羅斯的量子計算器似乎沒有引起什麼轟動，沒有人知道如果量子領域會發生什麼變化。

2007年，D-wave的第一個成果出世。這是有16量子比特的設備，能解決數獨謎題，但市場反應平平。量子理論家Umesh Vazirani對D-wave很不看好，他認為「即使它（D-wave）算得上一個真正的量子計算機，即使它可以擴展到成千上萬的量子位，它也不會比手機強大」。

隨後，D-wave公司經常被指責炒作和誇大，部分原因是量子計算機內部的量子運動很難準確測量出來。對於這些指責，D-wave參加了兩個測試，來證明它內部的量子運動，但這些指責並沒有停止，仍有一些專家質疑這次測試的可靠性。

2013年，一項測試顯示，D-wave 2比經典計算機快3600倍。但這又一次招來了質疑，幾位著名科學家認為這次測試結果不可靠。2014年，著名計算物理學教授馬提亞·泰勒發表了一份報告，表示他發現「沒有證據表明D-wave的量子運行速度比其他計算機快」。

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爭議＝進步？

儘管D-wave從出世以來，一路遭遇質疑，批評的聲音此起彼伏，但也不乏一些相信未來科技潛力的支持者，布勞內爾就是其中一位。他引用谷歌去年的試驗結果，D-wave量子計算機解決某些問題的速度比經典計算機快一億倍，速度之快超乎想像。

「這台比英特爾酷睿快一億倍的超級電腦，要麼是量子計算，要麼是比量子計算更令人興奮的技術」，布勞內爾似乎是量子計算的忠實擁躉，「我挑戰世界上所有科學家：如果這不是量子退火技術，那是什麼?」

阿榮森的態度比較中立，他承認谷歌測試結果是很有意義的，但覺得D-wave還沒有真正到達量子技術。「谷歌測試無疑是D-wave目前為止最令人印象深刻的展示。」他補充道，「然而D-wave是否能到達理想中『真正的量子速度』，我尚不清楚」。

以上這些爭論的好處是，能幫助我們更好地理解量子力學。英國布里斯託大學量子光學中心的Nic Harrigan說道：「量子計算有令人難以置信的潛在應用，即使沒有人能建造出真正的量子計算機，我們在不斷嘗試的過程中也能學到很多。量子力學本身就是一個基礎理論，它有助於理解宇宙，並且是很多其他未來科技的基礎。這種不斷嘗試、不斷加深理解的過程，對整個人類科技都是好事。」

谷歌和IBM在路上

谷歌對量子計算機一直興趣高昂，並且是第一個購買D-wave的公司。自2013年以來，谷歌一直致力於量子計算研究，與美國航天局和一家研究型大學的空間研究協會一起組建了量子人工智慧實驗室。同時，他們還將共同購入一台D-Wave T2量子計算機，並將利用這台計算機在NASA的艾姆斯研究中心裡建一個人工智慧實驗室。一年後，谷歌又進一步擴大量子計算布局，宣布聘用加州大學聖芭芭拉分校(UCSB)的約翰·馬蒂尼和他的團隊，來研製基於超導電子的全新的量子處理器。顯然，谷歌是不甘於使用其他公司的硬體，打算在技術力上狠下功夫。

IBM在量子計算領域也彰顯出勃勃雄心。就在今年五月，IBM推出了量子計算雲服務，創建了自己的量子晶元，允許使用方通過雲服務，連接具有五個量子位的量子計算機。IBM這項舉動，旨在通過這個雲服務工具，使得對量子計算感興趣的個人、機構和研究人員可以構建一個互聯社區，推動量子計算的未來發展。

量子技術的未來一定是超乎想像的科技革命，而目前D-wave等正在做的，一步接著一步地邁向未來。

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