活在實驗室還是實現霸權？揭開當前量子計算技術進展之謎

選自IEEE Spectrum

作者：Lee Gomes

機器之心編譯

參與：劉曉坤、黃小天、李澤南

隨著谷歌要在今年實現「量子霸權」等新聞的出現，社交網路上最近出現了一個熱門的話題：當前的量子計算技術前沿是什麼水平？量子計算和人工智慧一樣，是目前人類科技發展的重要方向。在摩爾定律逐漸失效的今天，科技巨頭和創業公司無不想使量子計算成為主流，但成功與否依然未知。本文作者探訪了數位一線研究人員，試圖為你揭開當前人類量子技術水平的謎團。

值得注意的是，其中大多數人都對目前量子計算技術的進展持謹慎態度，正如其中一位科學家所說的：「我不認為那些鼓吹量子計算機將很快能夠解決現實世界問題，或實現商用化的人是完全誠實的。」

IBM 的新量子計算機看起來像科幻電影中的道具；這些複雜的裝置是否有用依然不得而知。

你一定知道「薛定諤的貓」，那隻同時處在生和死的狀態的貓。現在我們來認識一下「薛定諤的科學家」，他們同時處在一種既高興又驚恐的怪異狀態之中。

薛定諤的著名思想實驗再次以新的形式出現，因為量子研究者正處在孜孜追求的成功的風口浪尖：打造一台傳統計算機無法匹敵的量子計算機。數年來他們堅持與認為量子計算機只不過是科學幻想的唱反調的人論戰，現在他們終於有了自我祝賀的資格。

但是同時他們也在抨擊媒體的炒作，後者過分誇大了量子計算的進展。比如，《時代》雜誌 2014 年 2 月 17 日量子計算專題中，編輯在封面上寫到：「無限機」（the Infinity Machine）如此具有革命性以至於其可解決人類一些最複雜的問題。自此之後，媒體的炒作之風一發不可收拾。

科羅拉多大學波爾得分校的量子計算研究員 Graeme Smith 解釋了現今這一領域面對的難題，他說：「過去你在這一領域工作，如果你告訴每個人量子計算未來大有前景，那麼你一定是個樂觀主義者；現在情況改變了，當有人講量子計算機很快會解決所有問題時，我和同僚們簡直無法相信。大家爭先恐後地聲明量子計算機的用途，這看上起像極了一場惡性競爭。」

目前激動人心的原因是，就在今年某個時候，量子計算有望取得一個里程碑式的成果。在谷歌和 IBM 研究小組的領導之下，科學家預計實現「量子霸權」。這意味著該系統能解決傳統現有計算機沒有內存或處理能力來解決的問題。

儘管標題黨們一再宣稱量子計算的到來不可避免，但其成就相比炒作會打折扣。首先，谷歌用以運行以展示量子霸權的演算法並未做出任何實際重要的事情：超出目前任何傳統計算機的計算能力的問題。

構建人們實際關心的、可解決實際問題的量子計算機需要長年的研究。谷歌和 IBM 的量子計算工程師說道，確實，能夠解決最棘手的計算問題的量子計算機可能還要再等數十年。

即使這樣，實際上該領域沒人會期望量子計算機取代傳統計算機——儘管隨著摩爾定律失效，人們普遍相信量子計算時代呼之欲出。目前所有量子計算機的設計都是將其與傳統計算機配對，執行無數的預處理和後處理步驟。更重要的是，考慮到讓量子計算機工作的軟硬體開銷，現在許多可以在傳統計算機上快速執行的日常編程任務實際上在量子計算機上可能運行得更慢。

曾在 NIST 工作多年，後來加入微軟雷德蒙德研究院的量子研究員 Stephen Jordan 說：「我並不認為有人會希望量子計算機取代傳統計算機。」而且，量子計算機很可能只對現有計算機無法處理的、回報巨大的特定計算工作有幫助。

量子計算機的想法最早可追溯到諾貝爾獎得主、物理學家 Richard Feynman 在 1981 年的一次演講，其中他設想了通過亞原子粒子的特有屬性建模其他亞原子粒子行為的可能性。曾工作於 AT&T 貝爾實驗室、現在 MIT 的 Peter Shor 在 1994 年的論文《Algorithms for Quantum Computation: I Discrete Logarithms and Factoring》中提出了更好的設想：如果可以打造一台量子計算機，找到大數的質因子，就可以破解常用的公鑰加密系統。這樣一台計算機將從根本上瓦解互聯網。

這引起了很多人的關注，特別是涉及加密的美國安全機構，他們很快開始投資量子硬體研究；在過去的二十年，政府開銷達數十億美元。現在量子技術更加接近商業化，風投資本也開始行動，這一現象與目前的量子炒作程度很相關。

那麼，量子計算機到底是怎麼工作的？

給出一個扼要而易懂的解釋並非易事，這就是為什麼 2016 年 4 月加拿大總理 Justin Trudeau 成了極客英雄。在一次新聞發布會現場（後來在網上迅速傳播開來），Trudeau 解釋道：「傳統的計算機只有 1 或 0，是二值系統；而量子態允許更複雜的信息被編碼進單一比特。」

IBM 的新量子計算機：Carl De Torres/StoryTK/IBM Cold-Hearted Computing，和谷歌的一樣，必須冷卻到接近絕對零度才能工作。降溫是通過稀釋制冷機來實現的，如上圖所示。

量子計算機的主要構件模塊是量子比特（qubit），任何量子性質，例如電子能級、自旋或光子的量子態等都可以用來表徵量子比特，只要系統可以將其隔離並控制它們。一個量子比特只有兩個狀態，而 n 個量子比特最多可以表示 2 的 n 次方個狀態。

例如，為了運行一個特定程序，某些量子計算機使用電磁波脈衝序列來操控量子比特，每個脈衝都具有確定的頻率和確定的持續時長。這些脈衝就是量子程序的指令（門操作）。每個指令都導致未被測量的量子比特的狀態以特定方式進行演化。

這些脈衝操作不僅僅在一個量子比特上進行，而是在所有的量子比特上進行，通常每個量子比特或每個集群的量子比特接收不同的脈衝指令。量子計算機的量子比特通過糾纏相互作用，糾纏使這些量子比特的狀態互相關聯。在這裡最重要的是，對量子比特的狀態的相繼改變可以用於執行有用的計算。

一旦量子程序完成執行——數千甚至上百萬個激光脈衝的作用——量子比特將被測量以輸出計算的最終結果。測量操作使得每個量子比特變成 0 或 1，即量子力學中著名的波函數坍縮。

這是量子計算機開發中需要直接面對的工程問題，不僅僅是因為量子比特必須與外界隔離（哪怕只有輕微的干擾），至少在完成計算後的輸出結果階段也是非常重要的。這個困難也導致了直到最近幾年，最大規模的量子計算機也不過一二十個比特，並且只能運行最簡單的演算法。

由於雜訊的包圍，量子比特容易出現錯誤。為了解決這個問題，量子計算機需要額外的量子比特作為備份。如果一個量子比特失效了，系統將根據備份比特來將出錯的比特恢復為合適的狀態。

這種糾錯方法在經典計算機里也存在。但在量子系統中用於糾錯的備份比特的數量要顯著多於經典計算機。工程師以此來評估可靠的量子計算機的標準，每個實用的量子比特可能需要 1000 個或更多的備份比特。由於很多高級演算法都需要數千個量子比特來初始化，從而量子比特的總數量（包括糾錯的備份比特）將很容易達到數百萬個。

與此相比，谷歌最近發布的量子計算晶元才包含 72 個量子比特，這些量子比特的實用價值取決於它們的出錯率。

谷歌的量子計算機研發由來自加州大學聖芭芭拉分校的一支被同時聘用的團隊所領導。在去年的 11 月，IBM 宣布開發出了 50-qubit 的量子計算機。這兩個公司，以及 Rigetti Computing、英特爾（近期開發了 49-qubit 陣列），他們研發的量子計算技術都依賴於特殊設計的超導電路。這些晶元必須被保持在相當低的溫度，需要複雜的冷卻設備來維持運作。

有一種完全不同的量子硬體架構，其中的量子粒子即離子懸浮在室溫運行的系統中。馬里蘭州大學園區的創業公司 IonQ 由杜克大學的物理學家 Jungsang Kim 和馬里蘭大學的 Christopher Monroe 成立，正在開發一台使用這種方法的量子計算機，他們使用的是鐿離子。

微軟選擇探索第三個方向，即拓撲量子計算，它在理論上很有潛力，但尚未出現真正可工作的硬體。

所有這些系統，與近年來最受公眾熟知的量子相關的計算平台即加拿大的 D-Wave 系統，都沒有多少相似之處。雖然一些著名公司如谷歌和大眾汽車已經購買了 D-Wave，但是量子研究社區中很多人都對此類設備抱有懷疑態度。那些科學家懷疑 D-Wave 是否能做經典計算機不能做的事，以及它們是否獲得了任何的量子加速。

谷歌-IBM-Rigetti 的超導量子計算方向目前在硬體開發上處於領先地位，但目前尚不清楚哪種形式的硬體將被證明是最先進的，也許三個方向將共存。對於量子編程研究者而言，他們不關心哪種設計將勝出，只要有量子比特可以用就夠了。

量子計算還有很多謎團，其中一個就是量子計算機的量子比特數能增長多快。通過傳統的計算機技術，摩爾定律長期以來一直確保計算機晶元的晶體管數量每兩年翻一番。但由於量子力學對電子行為的限制，摩爾定律已經失效了。很多工程師預期在中期未來，我們將被限制在少數量子比特的技術水平上，可能在未來數百年都將如此。因為量子霸權的基本證明可能也無法提供任何有用的結果，並且成熟的系統還需要很多年才能實現，工程師正集中精力開發可用在近期的一般規模的量子系統的演算法。

初步共識：雖然驚喜總是可能的，但進步將是循序漸進的。

「我不認為那些鼓吹量子計算機將很快能夠解決現實世界問題，或實現商用化的人是完全誠實的，」加州大學聖芭芭拉分校的物理學家 Wim van Dam 說。

自從 MIT 的 Shor 開發了他的第一個大數因式分解演算法的 20 年來，量子計算已和密碼學密切相關。但是關於互聯網加密系統被破壞的擔憂近年已有所緩和，部分是因為量子研究社區意識到能大規模運行 Shor 演算法的量子計算機還遠未出現，部分是因為「後量子加密」技術是可以不受任何形式的量子攻擊所影響的。即使到現在，NIST 仍在評估多種後量子加密基礎建設的候選方案。

與其對加密技術過於擔憂，研究者近期更關心使用量子計算機來對原子和分子建模，這正是費曼對量子計算的最初洞見。用於模擬物理和化學系統的演算法在 NIST 的 Quantum Algorithm Zoo 中是最數值化的部分，其價值是難以估計的，研究者說。想像一下，有一天當我們用量子計算機模擬出室溫超導體的時候，世界將變成什麼樣子。

這裡也一樣，應該避免不合理的炒作。馬里蘭大學的物理學家和計算機科學家 Andrew Childs 預測，第一代量子計算機僅能求解相對簡單的物理和化學問題。「用這些有限的量子比特，你可以回答凝聚態物理中一些較簡單的人類也可能解答的問題，但對於高溫超導的理解，將需要非常多的量子比特。」

雖然研究者反對過分樂觀，他們也不排除量子計算的突破將使計算機的效率大大提高。越多的程序員將帶來越好的演算法，這也是 IBM 為什麼將其量子計算機上線雲平台的原因。

「我可以在這塊白板上寫下地球上每個量子演算法研究者的名字，這才是我們的問題。」來自伯克利量子計算公司的 Chad Rigetti 斷言。「我們需要在演算法開發上取得更多的進展，為成千上萬的學生提供開發演算法的機器，這樣才能促進量子計算領域的發展。」

在他們看來，目前的研究者們對這個新興領域以及其中潛在的令人驚奇的發現非常感興趣，並樂在其中。

五台量子計算機一覽

谷歌

谷歌使用超導量子處理器構建量子計算機，例如上圖中的將 22 個量子比特按兩行排列的設計。

IBM

這個 16-qubit 的超導處理器支持著 IBM 的公開量子計算雲平台，幫助人們探索量子計算。

英特爾

今年 1 月份，英特爾發布了 49-qubit 的超導量子計算晶元，稱為 Tangle Lake。

IonQ

2016 年，IonQ 展示了用激光來操控鐿離子的 5-qubit 量子計算機（Shantanu Debnath）。

Rigetti

Rigetti 是由加州大學伯克利分校創立的，近期開始了 19-qubit 超導處理器晶元的開發。

延伸閱讀：

百度宣布成立量子計算研究所，量子科學家段潤堯教授出任所長

發力量子計算軟體、演算法和應用，阿里 AQL 聯合學界尋找「量子貓」

專訪 | 張勝譽轉身業界，希望找到符合騰訊特點的量子研究發展模式

中科院、阿里雲聯合發布 11 量子比特雲接入超導量子服務，郭光燦團隊 64 比特量子模擬打破 IBM Q 記錄

谷歌推出 72-qubit 量子處理器 Bristlecone，意圖實現「量子霸權」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！