前沿 | Nature:量子計算機或將在2017年走向實用化

選自Nature

機器之心編譯

參與：蔣思源、吳攀

谷歌、微軟以及一眾的實驗室和創業公司正在競相努力將量子計算從單純的科研項目變成可以投入生產應用的產品。

在實現量子計算的道路上，使用被囚禁於真空中的單個離子的量子計算是發展得最快的方法之一

很長時間以來，人們都普遍認為量子計算是一種至少還需要 20 年發展才能實現應用的技術，而且這種看法似乎一直以來都沒改變過。但 2017 年這項技術將有望開始延伸到單純的科研領域之外了！

谷歌和微軟這樣的計算巨頭最近聘請了一些這一領域內一些領先的頭腦，並且為今年設定了一些有挑戰性的目標。他們的勃勃雄心反映出了正發生在包含創業公司和學術研究實驗室的一場範圍更廣的轉變：量子計算從純科研向工程應用的轉變。

「人們真的造出了東西，」馬里蘭大學帕克分校的物理學家 Christopher Monroe 說，他在 2015 年聯合創立了創業公司 IonQ，「這是前所未見的，它不再只是研究了。」

谷歌在 2014 年開始了對超導量子計算的研究。該公司希望在今年（甚至不久之後）就實現超過最強大的「經典」超級計算機的量子計算機——這也被視為實現「量子霸權（quantum supremacy）」的里程碑（參閱《重磅 | 深度揭秘谷歌「量子霸權」計劃：有望明年底突破經典計算極限》）。其競爭對手微軟則押注了一種有趣但仍未經證實的概念——拓撲量子計算（topological quantum computing），微軟希望能夠實現該計算的首次演示。

此外，量子計算創業也在升溫。Monroe 今年一開始就計劃開始招聘了。聯合創立了 Quantum Circuits 的耶魯大學物理學家 Robert Schoelkopf 和在加州伯克利創立了 Rigetti 的前 IBM 應用物理學家 Chad Rigetti 都表示他們預期他們很快就將達到關鍵的技術里程碑。

學術實驗室也是類似。「我們已經證實了我們所需的所有組件和所有功能。」Schoelkopf 說，他繼續在耶魯大學帶領著一個研發量子計算機的團隊。他和其他研究者都表示：儘管還需要很多物理實驗才能找到將這些組件結合一起的方法，但現在的主要挑戰已經是工程上的了。目前帶有最多量子比特（qubit）的量子計算機（帶有 20 個量子比特）正在奧地利因斯布魯克大學 Rainer Blatt 領導的一個學術實驗室裡面接受測試。

經典計算機將信息編碼成以兩種狀態（0 和 1）表示的比特，而構成量子計算機的量子比特則可以以「疊加（superpositions）」的形式同時處於這兩種狀態。此外，量子比特還有一種被稱為「糾纏（entanglement）」的能力——可以實現量子狀態的共享。這些能力讓量子計算機可以同時執行大量計算。而且理論上，每增加一個量子比特，這些同時執行的計算的數量就會翻倍，這可以帶來指數級的加速。

這種快速性（rapidity）應該讓量子計算機能夠執行特定的任務，比如搜索大型資料庫或大數因子分解——對於速度更慢的經典計算機來說，這樣的任務有時候是不可能完成的。量子計算機也可以作為研究工具用於執行量子模擬（quantum simulations），從而讓化學家可以以前所未有的詳細程度理解化學反應或讓物理學家可以設計出室溫超導材料。

如今對如何建造量子比特有許多相競爭的設計，但還是有兩個領跑者。儘管量子態因外部干擾很容易去相干，但它們都證實了量子比特具有長期儲存信息的能力，並能執行邏輯計算。Schoelkopf 幫助量子計算先鋒的一個方法就是將量子狀態編碼為超導環路中的振蕩電流，這個方法也廣泛被谷歌、IBM、Rigetti 和 Quantum Circuits 接受。IonQ 和幾個主要的學術實驗室追求的另一個方法是在真空阱（vacuum traps）中通過電磁場編碼單個離子的量子比特。

John Martinis 在加州大學聖巴巴拉分校（University of California, Santa Barbara）工作，在谷歌 2014 年聘請他和他的研究團隊時，他說超導技術的成熟使他的團隊設定了量子霸權（quantum supremacy）的雄偉目標。

他們團隊計劃使用「混沌（chaotic）」量子演算法來實現這一點，該演算法產生如同隨機輸出的結果（S. Boixo et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/1608.00263; 2016）。如果演算法在由相對較少量子比特組成的量子計算機上運行，那麼經典計算機就能預測其輸出。該小組預測一旦量子計算機擁有接近 50 個量子比特數，那麼即使是最強大的經典超級計算機也完全跟不上它的步伐。

雖然計算結果沒有任何用處，但是他們將證明在有些任務上量子計算機是無可匹敵的。Martinis 說這是一個重要的的心理閥值，它會吸引潛在客戶的注意力。他說：「我認為這是一個開創性的實驗。」

但是 Schoelkopf 並不把量子霸權看作「很有意思和有用的目標」，部分原因是因為它避開了糾錯的挑戰：系統具有在受到輕微擾動後恢復其信息到量子比特的能力，這要比量子比特數量增多還要困難。相反 Quantum Circuits 關注於從一開始就搭建完全錯誤矯正（fully error-corrected）的機器。這就需要建造更多的量子比特數，不過機器也能夠運行更複雜的量子演算法。

Monroe 希望在近期實現量子霸權，但那並不是 IonQ 的主要目標。他說，這家創業公司的目標是構建帶有 32 個或 64 個量子比特的機器，離子阱（ion-trap）技術讓他們的設計可以比超導電路更靈活和更具擴展性。

同時，微軟則押注一種仍待驗證的技術。拓撲量子計算（topological quantum computing）依賴於處於激發態的物質——其通過像辮子一樣互相纏繞來編碼信息。和其它技術相比，存儲在這種量子比特中的信息對外部擾動的抵抗力更強，使得糾錯（error correction）更簡單。

到目前為止，還沒有人創造出這種激發所需的這種物質狀態，更不要說拓撲量子比特了。但微軟已經聘請了這一領域的四位領先專家，包括荷蘭代爾夫特大學的 Leo Kouwenhoven——他已經創造出了貌似正確的激發類型。「我告訴我的學生 2017 年是 braiding 的一年。」Kouwenhoven 說，他將在代爾夫特大學建立一個微軟實驗室。

其他研究者則更為謹慎。Blatt 說：「我不做關於未來的任何新聞發布。」

位於科羅拉多州博爾德的國家標準與技術研究所的物理學家 David Wineland 領導著一個研究離子阱的實驗室，他也不願意給出明確的預測：「我對長期未來持樂觀態度，但『長期』是什麼意思，我不知道。」