量子計算機就要來了，它真的能改變世界嗎？

編者按：本文來自網易科技，36氪經授權轉載。

在位於紐約市以北約50英里處僻靜鄉村中的一個小型實驗室內，天花板下纏繞著錯綜複雜的管線和電子設備。這一堆看似雜亂無章的設備是一台計算機。它與世界上的任何一台計算機都有所不同，而是一個即將開創歷史的里程碑式設備。

量子計算機的理論運行速度遠遠超出任何傳統的超級計算機。這種計算機或將使得人們在原子層面對物質狀態進行模擬成為可能，從而可以重塑新材料技術；它們也可以通過無窮的算例破解現有的任何加密演算法，重新定義網路安全；它們甚至能夠通過對海量數據的有效地處理來增強人工智慧的水平。

然而到現在，經過幾十年的逐步發展，研究人員終於離打造出真正的量子計算機無限接近了，其強大的功能足以打敗任何傳統意義上的計算機，這就是具有里程碑意義的「量子霸權」（quantum supremacy）。目前來看，谷歌在該領域一直處於領導地位，而諸如英特爾和微軟等公司也都在努力前進，而包括Rigetti Computing，IonQ和Quantum Circuits等有雄厚資金支持的創業公司也在迎頭趕上。

但是在量子計算領域，沒有誰能夠和IBM相匹敵沒。早在50年前，IBM在材料科學方面取得了成績就奠定了計算機革命的基礎。這就是我為什麼會在去年10月來到IBM的托馬斯·J·沃森（Thomas J. Watson）研究中心去嘗試尋找這些問題的答案：量子計算機到底有什麼好處？我們是否可以打造一款實用的，可靠的量子計算機？

為什麼說我們需要量子計算機

托馬斯·J·沃森（Thomas J. Watson）研究中心位於美國的約克敦海茨（York-town Heights），整個建築的外觀看起來有點像上世紀60年代的飛碟想像圖。這座建築由新未來主義建築師小沙里寧(Eero Saarinen)設計，並在IBM大型機業務的鼎盛時期建造。當時IBM是世界上最大的電腦公司，在研究中心落成的十年內，它已成為全球第五大公司，僅位於福特和通用電氣之後。

雖然站在建築物的走廊里可以看到鄉村景色，但所有辦公室都沒有窗戶。我在其中的一間密室里見到了這是在我遇見查爾斯·貝內特（Charles Bennett）的其中一間卧室里。現年70多歲的貝內特兩鬢斑白，身處舊電腦顯示器和各種化學模型的包圍之中。他回想起量子計算就像是剛剛發生在昨天一樣。

圖示：IBM研究中心的查爾斯·貝內特（Charles Bennett）是量子信息理論的創始人之一，其在IBM的工作為量子計算機創造了理論基礎

當貝內特於1972年加入IBM時，量子物理學的發展已經有半個世紀的歷史，但整個計算科學仍然依賴於經典物理學和克勞德·艾爾伍德·香農（Claude Elwood Shannon ）於20世紀50年代在麻省理工學院開發的信息數學理論。香農根據存儲數據所需的「比特」數量（這是一個他普及但沒有確定的術語）來定義信息量。這些比特，也就是二進位碼的0和1是所有常規計算科學的基礎。

在抵達約克敦海茨一年後，貝內特幫助奠定了量子信息理論的基礎，這將會挑戰傳統計算科學。它以原子尺度上物體的特殊性質為基礎。在這個微觀尺度下，粒子可以一次顯現出許多種狀態（例如，許多不同的位置），也就是「疊加」態。兩個粒子也可能表現出「量子糾纏」，因此改變一個粒子的狀態可能會瞬間影響到另一個粒子。

貝內特和其他人意識到，在量子現象的幫助下，可以有效地執行幾種耗時甚至不可能的計算。量子計算機會將信息存儲在所謂的量子比特，也就是量子位中。量子比特可以以1和0疊加的形式存在，並且可以使用量子糾纏和量子干涉來找到指數級大數據計算的解決方案。但是目前還難以比較量子計算機相比於經典計算機到底有多大的計算優勢，但粗略地說，只有幾百個量子比特的量子計算機能夠同時執行的計算量要比已知宇宙中的原子數量更多。

1981年夏，IBM和麻省理工學院組織了一次名為計算物理第一次會議（First Conference on the Physics of Computation）的里程碑式活動。會議在距離麻省理工學院校園不遠的法國風格大廈Endicott House召開。

從貝內特與會期間的一張照片中可以看出，計算科學和量子物理史上最有影響力的幾位大人物悉數出席了此次會議。其中包括開發第一台可編程計算機的康拉德·楚澤（Konrad Zuse）以及量子理論的主要貢獻者理查德·菲利普斯·費曼（Richard Phillips Feynman）。費曼在會上發表了主題演講，其中提到了使用量子效應進行計算的想法。 「對量子信息理論的發展幫助最大的就是費曼，」貝內特告訴我，「他說，』自然是量子的，該死的！所以如果我們想模擬它，我們需要一台量子計算機。』」

IBM的量子計算機，也是現存最有前途的計算機，就位於貝內特辦公室下面的的大廳里。該機器被用於創建和操縱量子計算機中的基本元素：存儲信息的量子比特 。

夢想與現實之間的差距

IBM的量子計算機利用了超導材料中發生的量子現象。例如，有時超導材料中的電子會同時進行順時針和逆時針的移動，這就是量子現象。 IBM的量子計算機使用了超導電路，其中兩個不同的電磁能量狀態組成量子比特。

超導方法具有關鍵優勢。其中的硬體可以使用現有的完善製造方法製造出來，並且能夠通過傳統的計算機來控制整個系統。超導電路中的量子比特比單個光子或離子更容易操作，也沒有那麼敏感。

圖示：IBM將量子計算機連接至雲端

在IBM的量子實驗室里，工程師們正在研究一個具有50個量子位的計算機。你可以在一台普通的計算機上運行簡單的量子計算機模擬系統，但是不可能模擬多達50個量子比特。這意味著IBM理論上正在接近量子計算機可以解決傳統計算機無法解決的問題奇點：換句話說，也就是量子霸權。

但正如IBM的研究人員告訴你的，量子霸權是一個難以捉摸的概念。你需要50個量子比特全部正常運行才能夠起作用，而實際上量子計算機卻被需要糾正的錯誤所困擾。在任何時間長度內維持量子比特得狀態都非常困難;他們傾向於「退貨」，或者失去其微妙的量子特性，就像煙圈會在最輕微的氣流中散開一樣。而量子比特位越多就越發困難。

「如果你有50或100個量子比特可以正常運行，又能夠實現完全糾錯，那麼你就可以進行前所未有的計算，任何傳統計算機都無法複製的計算，」耶魯大學教授、Quantum Circuits公司的創始人羅伯特舍爾科普夫（Robert Schoelkopf）表示，「量子計算的另一個問題在於，它出錯的方式簡直是指數級的。」

另一個值得注意的問題是，即使是堪稱完美的量子計算機作用也並不明顯。它並不會簡單地加快任務處理速度;事實上，對於許多計算來說，量子計算機的執行速度比傳統機器還要慢。迄今為止，只有少數特別設計的演算法在量子計算機中具有顯著優勢。即使對於這些演算法來講，優勢也往往是短暫的。最著名的量子演算法是由彼得舒爾（Peter Shor）在麻省理工學院開發的關於計算蒸熟質因數分解問題的演算法。許多常見的密碼方案都依賴於傳統計算機難以實現的現實。但是密碼學可以進行自適應調整，創造出不依賴於因數分解的新型加密代碼。

圖示：IBM量子計算機中的晶元所處環境被降至15開爾文

即便已經接近50個量子比特的歷史臨界點，但IBM自己的研究人員依舊熱衷於消除關於量子計算機的炒作問題。在走廊上的一張桌子邊向外望去是鬱鬱蔥蔥的草坪，這裡我遇到了Jay Gambetta，一位身材高大，性情隨和的澳大利亞人，他研究關於IBM量子計算機的量子演算法和潛在應用。 「我們處在這個獨特的階段，」他表示，小心翼翼地進行措辭， 「我們的設備比你在傳統計算機上進行的模擬要複雜得多，但它的精度還無法控制，因為你並不十分清楚該如何應對量子演算法。」

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算機也可能是有用的。

Gambetta和其他研究人員已經注意到費曼在1981年設想的應用。化學反應和材料性質取決於原子和分子之間的相互作用。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可以模擬出常規方法無法處理的那些模型。

去年，IBM研究人員Gambetta和他的同事們使用了7個量子比特的機器來模擬氫化鈹的精確結構。雖然僅僅只有三個原子，但它是用量子系統建模的最複雜分子。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，更有效的藥物或可以將陽光轉化為清潔燃料的催化劑。

這些目標的實現還有很長的路要走。但是，Gambetta說，人們或將能夠從一台與經典計算機配對的易錯量子機器中獲得有價值的結果。

從物理學家的夢想到工程師的噩夢

「關於量子計算機概念炒作的積極作用是認識到量子計算實際上是真實的，」麻省理工學院教授艾薩克·庄（Isaac Chuang）如是指出， 「它不再是物理學家的夢想，而是工程師的噩夢。」

在九十年代後期和二十一世紀初，庄在位於加州阿爾馬登的IBM公司工作，領導了早期量子計算機的開發。雖然現在庄不再從事相關工作，但他認為我們正處於一個巨大起點之上——量子計算最終將在人工智慧中發揮作用。

但他也懷疑顛覆不會真正到來，直至新一代的學生和黑客開始使用實用的量子計算機。量子計算機不僅需要不同的編程語言，而且需要根本不同的思維方式來編程。正如Gambetta所說：「事實上，我們並不知道量子計算機上』Hello，world"的含義是什麼。」

我們正在開始發現本質。 2016年，IBM將一台小型量子計算機連接到雲端。用戶使用稱為QISKit的編程工具包可以在雲上運行簡單的程序;從學術研究人員到小學生在內的成千上萬的人都已經開發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將他們的量子計算機聯網。現在你不能用量子計算機做很多事情，但至少可以嘗試一下可能會發生的事情。

創業社區對量子計算機也越來越興奮。看過IBM的量子計算機後不久，我去了多倫多大學商學院，參加了量子創業公司的一場競賽。一群初創公司企業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算機來模擬金融市場。另一個則計劃用量子計算機來設計新的蛋白質。還有一個想要開發更高級的人工智慧系統。一切皆有可能，但唯一可以得到確認的是，每個團隊的業務都建立在一種革命性的技術基礎上，而這種技術幾乎不存在。幾乎沒有人會因為這個事實而感到害怕。

如果第一台量子計算機找到實際用途過於緩慢，那麼這種熱情就會逐漸消散。那些真正了解對於諸如貝內特和庄等真正了解量子計算機的專家來說，他們的最佳猜測是，第一批實用量子計算機的誕生還有幾年的時間。同時，這也要假設管理和操縱大量量子比特並不是一個棘手問題。

不過，專家們依舊抱著希望。當我問庄，當我兩歲的兒子長大以後，世界會變成什麼樣子，他笑著回應， 「也許你的孩子將有一個能夠開發量子計算機的工具包。」（晗冰）

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