拋開炒作與成見，認真談一談量子計算機

在紐約市以北50英里一個蔥蔥鬱郁的小鄉村裡有一個實驗室，它的天花板上懸掛著一套複雜的管子和電子設備。這堆亂七八糟的設備是一台計算機。然而它不是一台普通的計算機，也許，它將成為其所處領域最重要的里程碑之一。

正如我們一直所聽到的，量子計算機的計算能力遠遠超出了傳統計算機的範圍。通過超強的計算力，量子計算機可以使原子水平上的物質行為模擬成為可能，從而為新材料的發現帶來新一輪革命。它也可以藉助超強的代碼對加密和安全進行更深一步優化。甚至還可以通過更有效地處理數據來增強人工智慧。

迄今為止，經過幾十年的逐步發展，研究人員終於無限接近於製造出足夠強大的量子計算機，來完成任何傳統計算機都無法勝任的工作。這一具有重大意義的分界線，被人們戲稱為「量子霸權」。谷歌在走向這一里程碑的道路上一直處於引領狀態，英特爾和微軟在這方面也正努力。另外還有一些資金雄厚的初創公司如Rigetti Computing、IonQ和Quantum Circuits等。

在這個領域，IBM的歷史十分悠久。50年前，該公司在材料科學方面取得的進步，為計算機革命奠定了基礎。這就是為什麼筆者在去年10月前往IBM的托馬斯·J·沃森研究中心(Thomas J. Watson Research Center)嘗試尋找這些問題的答案：量子計算機有什麼用處?一個實用的、可靠的量子計算機真的可以被建造出來嗎?

為什麼我們需要一台量子計算機?

這個位於約克敦海茨(Yorktown Heights)的研究中心看起來有點像1961年想像中的飛碟。它是由新未來主義建築師Eero Saarinen設計的，並在IBM的鼎盛時期作為大型機的研發中心而建立。IBM曾是世界上最大的計算機公司，在該研究中心建設的十年之內，當時它已成為世界第五大公司，僅次於福特和通用電氣。

雖然大樓的走廊可以看到外面鄉村的景象，但內部的辦公室里卻沒有任何窗戶。筆者在這些與世隔絕的房間里遇到了查爾斯·班尼特(Charles Bennett)。他70多歲，有白色鬢角，穿著一雙黑色的襪子和涼鞋，甚至還隨身戴著一個筆套來裝他的筆。他被老式的電腦顯示器、化學模型和(奇怪的是)一個小型的迪斯科球包圍著，他回憶起量子計算的誕生，像是在昨天。

▲IBM 研究院的查爾斯·班尼特是量子資訊理論的創始人之一。他在IBM的工作為量子計算創造了理論基礎。

班尼特在1972年加入IBM的時候，量子物理學已經有半個世紀的歷史了，但計算仍然依賴於經典物理學和克勞德·香農(Claude Shannon)在上世紀50年代在麻省理工學院開發的信息數學理論。香農把需要信息的數量定義為「比特」(即信息量單位)。二進位代碼的0和1是所有傳統計算的基礎。

在到達約克敦海茨一年後，班尼特幫助奠定了量子資訊理論的基礎，這一理論將對以上這一切發起挑戰。它依賴於利用原子尺度上物體的特殊行為。在這種尺度下，粒子可以同時以許多不同的狀態存在(例如，許多不同的位置)。兩個粒子也可以表現出「糾纏」，所以改變一個粒子的狀態會瞬間影響另一個。

班尼特和其他人意識到，有些指數級時間消耗、甚至不可能實現的計算指令可以在量子現象的幫助下有效地執行。量子計算機可以通過量子比特(或量子位，quantum bits)存儲信息。量子比特可以存在於1和0的疊加中，而且糾纏和干擾可以用來在指數級的大量狀態下找到一個計算解決方案。將量子計算機和傳統計算機做比較是非常困難的，但是粗略地說，只有幾百個量子比特的量子計算機能夠同時比已知宇宙中的原子執行更多的計算。

在1981年的夏天，IBM和麻省理工學院組織了一個里程碑式的活動，叫做第一次計算物理會議(First Conference on the Physics of Computation)。它是在迪恩科特大廈(Endicott House)舉行的，這家法國風格的豪宅離麻省理工學院不遠。

在班尼特在會議上拍攝的一張照片中，有幾位來自計算機和量子物理學史上最具影響力的人物，包括開發第一台可編程計算機的康拉德·楚澤(Konrad Zuse)，和量子理論的重要貢獻者理查德·費曼(Richard Feynman)。費曼在會議的主題演講中提出了利用量子效應進行計算的想法。班尼特告訴筆者:「量子信息理論最大的推動力來自費曼。他曾說過，『自然是量子的，所以如果我們想要模擬它，我們就需要一台量子計算機。』」

IBM的量子計算機——目前最具發展前景的計算機之一，坐落在班尼特辦公室的大廳里。這台機器被設計用來創建和操縱基本元素:存儲信息的量子比特。

▲IBM公司的這個實驗室里有連接到雲的量子機器。

夢想與現實之間的差距

這台IBM的機器利用超導材料中的量子現象。例如，有時電流會順時針和逆時針方向流動。IBM的計算機使用超導電路，其中兩個截然不同的電磁能量狀態構成一個量子比特。

超導方法具有重要的優勢。硬體可以很好地通過完善的方法製造，而傳統的計算機則可以用來控制系統。超導電路中的量子比特也比單個光子或離子更容易操作，也不那麼脆弱。

在IBM的量子實驗室里，工程師們正在研製一種有50個量子比特的計算機。你可以在普通計算機上模擬一個簡單的量子計算機，但是在大約50個量子比特以上幾乎是不可能的。這意味著，從理論上講，IBM正在接近那個量子計算機能夠解決經典計算機不能解決的問題的臨界點:換句話說，就是量子霸權。

但正如IBM的研究人員所說的那樣，量子霸權是一個難以捉摸的概念。現實中量子計算機總會被需要糾正的錯誤所困擾，這時你就需要所有50個量子比特都完美地工作。在任何時間內保持量子比特也是極其困難的，它們傾向於「解碼」，或者失去它們微妙的量子特性，就像一個煙圈在最輕微的氣流中破裂一樣。而量子比特越多，挑戰就越難。

「如果你有50或100個量子位，而且它們真的很有效，而且是完全糾錯的——你可以做一些深不可測的計算，這在任何經典機器上都是無法複製的。」耶魯大學教授、Quantum Circuits公司創始人羅伯特·斯庫爾科夫(Robert Schoelkopf)說。「量子計算的另一面就是，出錯的可能也是指數級增長。」

▲IBM的量子計算機(底部)的晶元被冷卻到15毫開爾文。

另一個需要謹慎的理由是，即使是一個功能完美的量子計算機，它的用處也不明顯。它無法簡單地加速你的任務，事實上，在許多計算中，它實際上比傳統機器還要慢。迄今為止，只有少數幾種演算法被設計出來，讓量子計算機具有顯著優勢。即便如此，這種優勢可能是短暫的。最著名的量子演算法是由麻省理工學院的Peter Shor開發的，其目的是尋找一個整數的質因子。許多常見的加密方案都依賴於這樣一個事實:傳統的計算機很難做到這一點。但是密碼學可以適應，創造出新的不依賴因子分解的代碼。

這就是為什麼IBM自己的研究人員在不斷接近50量子比特里程碑時，也熱衷於消除圍繞這一領域的各種炒作。在走廊里的一張桌子上，筆者看到了外面茂密的草坪，遇到了傑伊·甘伯塔(Jay Gambetta)，他是一個身材高大、性格外向的澳大利亞人，研究量子演算法和IBM硬體的潛在應用。「我們正處於這個獨特的階段，」他說著。「我們的這個設備比在傳統計算機上模擬的量子計算機更複雜，但它還不能像我們所熟知的、在傳統計算機上那樣控制演算法精確度。」

給IBM帶來希望的是，即使是一個不完美的量子計算機，也是有用的。

甘伯塔和其他研究人員將注意力集中在費曼在1981年設想的一個應用上。化學反應和材料的性質是由原子和分子之間的相互作用決定的。這些相互作用受量子現象的支配。量子計算機至少在理論上是可以的，而傳統的計算機則不能。

去年，甘伯塔和IBM的同事們使用一個7量子比特的機器來模擬鈹氫化物的精確結構。只有3個原子，是有史以來用量子系統建模的最複雜的分子。最終，研究人員可能會使用量子計算機來設計更高效的太陽能電池，更有效的藥物，或將陽光轉化為清潔燃料的催化劑。

完成這些目標還有很長的路要走，但是甘伯塔說，將易出錯的量子計算機與傳統計算機配對，可能會得到有價值的結果。

從物理學家的夢想到工程師的噩夢

「市場如此炒作的原因，也可能是大家都認識到量子計算實際上是真實的。」麻省理工學院(MIT)的教授Isaac Chuang說。「它不再是物理學家的夢想——變成了工程師的夢魘。」

在20世紀90年代末和21世紀初，Chuang領導了一些最早的量子計算機的開發，在加利福尼亞的阿爾馬登工作。雖然他不再研究這些問題，但他認為我們正處在一個非常大的起點上——量子計算最終將在人工智慧領域發揮作用。

但他也懷疑，革命不會真正開始，直到出現新一代的學生和黑客都能夠使用的機器。量子計算機不僅需要不同的編程語言，而且需要從根本上不同的方式來思考什麼是編程。正如甘伯塔所說:「我們真的不知道『Hello, world』在量子計算機上是什麼樣子。」

我們正開始探索。2016年，IBM將一台小型量子計算機連接到雲上。使用一個名為QISKit的編程工具包，您可以在它上面運行簡單的程序，成千上萬的人，從學術研究人員到學生，已經建立了運行基本量子演算法的QISKit程序。現在谷歌和其他公司也在網上推出他們剛剛起步的量子計算機。你不能用它們做太多事，但它們至少讓實驗室之外的人嘗到了未來的滋味。

創業社區也變得活躍起來。在看到IBM的量子計算機後不久，筆者就去了多倫多大學的商學院，參加了一場關於量子創業的競賽。企業家們緊張地站起來，向一群教授和投資者展示他們的想法。一家公司希望利用量子計算機模擬金融市場。另一個計劃藉助量子計算機設計新的蛋白質。另一個人想要建造更先進的人工智慧系統。在這個房間里得承認的是，每個團隊都在提出一項基於某個技術革新的業務，而這種技術幾乎不存在。但幾乎沒有人被這個事實嚇倒。

如果第一批量子計算機找不到實際用途，這種熱情可能會變壞。對於那些真正了解困難的人，比如班尼特和Chuang，他們最理想的猜測是，第一批有用的機器還需要幾年的時間——假設管理和操縱大量量子比特的問題不會太棘手。

不過，專家們仍然抱有希望。當筆者問Chuang，自己兩歲的兒子長大後，世界會是什麼樣子的時候，後者笑著回答說:「也許你的孩子會有一個製造量子計算機的工具箱。」

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