全球理論物理學泰斗給量子計算機潑冷水：可預見的未來造不出來

關於作者：Mikhail Dyakonov（米哈伊爾 迪阿科諾夫）目前在法國蒙彼利埃大學的查爾斯-庫侖（Charles Coulomb）實驗室從事理論物理研究。他的名字出現在多種物理現象的命名當中，其中最為著名的是「迪阿科諾夫表面波」（Dyakonov surface wave）。

這些年來，量子計算話題的討論達到了前所未有的熱度。行業及媒體一直在不斷強調，量子計算機有望「在眾多學科當中帶來突破」、「徹底改變我們的經濟、工業 、學術以及社會格局」，有不少人甚至堅信，「量子計算機將很快破解世界上最為強大的敏感數據加密技術。」

與此同時，政府研究機構、學術部門以及企業實驗室每年也投入了數十億美元用來開發量子計算機。摩根士丹利等眾多金融巨頭預計，量子計算技術將很快走向成熟。

那麼，能夠實際使用的量子計算機何時才能被製造出來？最樂觀的專家估計還需要5到10年，而更為謹慎的意見則認為還需要20到30年（順便說一句，過去二十年當中，已經有專家不斷提出類似的時間預期）。

然而，我卻認為：「真正的實現時間是在不可預見的未來。」因為，量子計算機的實現過程必須克服的一系列巨大的技術挑戰。

量子計算的概念最早出現在1980年，由俄羅斯數學家尤里-馬寧（Yuri Manin）首先提出。幾年之後，牛津物理學家大衛-多伊奇（David Deutsch）正式描述出一種通用型量子計算機。然而，直到1994年數學家彼得-肖爾（Peter Shor）才提出了一種理想的量子計算機演算法。這一理論成果引發了人們對於量子計算機的濃厚興趣。

首先，製造一個量子計算機所需量子比特，即描述其狀態的連續參數量不可想像。

量子計算的基本思路，在於以完全不同於傳統計算機的方式進行信息的存儲與處理。首先，傳統計算機基於經典物理學。如果忽略相關細節，我們可以將它視為一種通過操作大量微型晶體管實現運作的機器，這些微型晶體管始終保持開或關兩種狀態中的一種，並在計算機時鐘周期之內不斷進行狀態切換。

因此，在任何給定時鐘周期內，傳統計算機的狀態可以通過在物理層面對各個晶體管的狀態進行長序列位記錄來描述。對於N個晶體管，傳統計算機擁有2N種可能的狀態。

而在量子計算當中，經典的雙態電路元件（即晶體管）被稱為量子比特（或量子位）的量子元素所取代。與傳統比特一樣，量子比特同樣擁有兩種基本狀態——我們可以將電子自旋的兩個基本量子態表示為↑與↓。

然而，對於量子比特而言，這兩種狀態並不以排他性或者唯一性的形式存在。這是因為電子的自旋態由量子力學中的波函數進行描述，且該函數涉及兩個得數，即α與β（稱為量子振幅）。這兩個複數各自擁有一定的振幅，且根據量子力學的規則，二者的平方振幅相加必須等於1。舉例來說，如果在↑狀態中發現電子的概率為0.6（60%），那麼在↓狀態中發現電子的概率必須為0.4（40%）——其它任何結果都沒有意義。

與僅能處於兩種基本狀態中的傳統比特相比，量子比特則可以同時存在於↑與↓的狀態下。但是，在我看來，這並沒有實際意義。

在一套擁有兩個量子比特的系統當中，存在22或者4種基本狀態，我們可以將其寫為(↑↑)、(↑↓)、(↓↑)以及(↓↓)。當然，這兩個量子比特可以通過涉及四個複數的量子波函數進行描述。在存在N個量子比特的一般情況下，系統的狀態由2N個複數來描述，這些複數受到單一條件限制——其平方振幅相加必須等於1。

雖然在任何給定時刻，具有 N個比特的傳統計算機必然處於其2N種可能狀態中的一種，但具有 N個量子比特的量子計算機的狀態則由2N個量子振幅的值來描述，體現為一項連續參數（可以採用任何值，而不僅僅是0或1）。這是量子計算機強大的原因，但同時也是該理論之所以混亂且脆弱的根本原因。

要在這樣一個機器中處理信息必須應用某些類型的轉換——學術領域將其稱為「量子門」，從而以精確且受控的方式改變這些參數。

根據專家估計，真正實用的量子計算機（即與如今常用筆記本電腦擁有相似運算能力的計算機），大概需要1000到10萬個量子比特。因此，但凡是具備實用性的量子計算機，用於描述其狀態的連續參數的數量至少為21000，也可以說是10300。這個數字遠遠大於可觀測宇宙中的亞原子粒子數量。

其次，控制量子計算機所需的量子比特數將大幅增加。

對於任何計算機，我們都必須考慮程序錯誤所產生的影響。在傳統計算機當中，當一個或者多個晶體管在應該被開啟時被關閉，或者在需要關閉時被開啟，就會引發錯誤。相比之下，我們卻無法想像要如何控制實用性量子計算機中必然存在的至少 10300個連續參數。

對此，有量子計算理論專家提出了稱為「閾值定理」的理論。他們指出，一旦各個量子門的每個量子比特的誤差低於某個值，就有望實現無限增長的量子計算能力，而代價則是大幅增加所需要的量子比特數。

那麼，每個邏輯量子比特需要多少個物理量子比特？據估計，大約在1000到10萬之間。因此，結果就是具有實用性的量子計算機現在需要100萬甚至更多的量子比特。而用於定義這一假想的量子計算機狀態的連續參數數量更是一個天文數字。

其三，即使不考慮這些大到不可思議的數字，也沒有人知道該如何將許多物理量子比特組成可以計算實際任務且數量較少的邏輯量子比特。

21世紀初，量子信息領域的多位傑出專家團隊規划了量子計算髮展路線圖，目標是在2012年「實現大約50個物理量子比特」，並「通過容錯[量子計算]所需要的全部運算以運行多個邏輯量子比特，從而執行與量子演算法相關的簡單實例……」後來，這個時間點被推至2018年，但如今看來，這一能力仍然沒有得到證實。

雖然目前已經有大量關於量子計算的學術文獻立足實驗研究對實際硬體做出了描述。然而，實際推動的實驗舉措則非常難以進行。

目前，此類系統中的量子比特數量低於10，並且通常為3到5。很明顯，從5比特到50比特（即高級研究與發展活動局專家組設定的應於2012年實現的目標）帶來了難以克服的實驗難題。其中最大的阻礙，很可能在於25等於32，而250卻等於1,125,899,906,842,624。

相比之下，量子計算理論卻無需去真正處理數百萬量子比特的任何實質性難題。舉例來說，在誤差率研究當中，人們正在考量各類雜訊模型。在某些假設之下，研究人員已經證明「局部」雜訊所產生的誤差可以通過精心設計且非常巧妙的方法加以糾正。其中最重要的一種方法正是同時將數千個量子門應用於不同的量子比特，以完成數千次測量。

十五年之前，高級研究與發展活動局的專家小組指出，「在某些假設之下，已經確定如果能夠實現每個量子門運算的閾值精度，則這種量子糾錯方法將允許量子計算機進行無限期計算。」但其中的關鍵詞在於「在某些假設下」。很明顯，他們也還沒能解決這些假設是否可以得到滿足的問題。

我認為，這個問題沒有辦法被真正解決。在物理世界中，連續的量（無論是電壓，還是用於定義量子力學中波函數的參數）既不能測量也不能精確化加以操縱。換句話說，我們無法使連續可變數具有精確值，包括零。

當然，我們可以準確地識別出離散量，例如教室中學生的數量或者「開啟」狀態下的晶體管數量。但連續變化量卻無法準確識別，這一事實再次說明傳統數字計算機與假想中的量子計算機之間存在著巨大的差異。

實際上，理論專家們對於將量子比特準備至給定狀態、量子門的具體操作、測量的可靠性等做出的所有假設都無法準確實現。目前，我們只能以有限的精度接近目標。但真正的問題在於，實現量子計算到底需要怎樣的精度水平？這些關鍵問題不僅沒有明確答案，甚至也從未得到學術界的明確討論。

雖然目前研究人員們正在探索構建量子計算機的各種策略，但大多數人認為其中最具希望的方法是將基於相互連接的約瑟夫森結的量子系統冷卻至極低的溫度（低至約10毫開）。這個理論最初由加拿大廠商D-Wave Systems提出，目前得到了IBM、谷歌以及微軟等眾多企業的採納。

量子計算技術的最終目標在於創建一台通用型量子計算機，且希望其能夠替代傳統計算機。

在硬體方面，行業也正在進行一系列探索，目前英特爾公司研究並製造出了49量子比特的晶元，IBM製造出了50量子比特晶元，谷歌則擁有72量子比特晶元。但這項競賽的最終結果尚不完全清楚，畢竟他們都沒有公開工作的具體細節。

雖然我相信這樣的實驗性研究會帶來助益，也有望幫助我們更好地理解複雜的量子系統，但這仍不足以創建出真正實用的量子計算機。

總的來說，此類計算機必須能夠在微觀水平上以極高的精度實現物理系統操縱，而必須擁有龐大的參數量，且每項參數都可能具有連續的取值範圍。

據此，我認為業界對量子計算的熱情可能已經接近尾聲。以上提到的所有問題，包括尚未提及的其它一些問題，都不太可能在短期內得到解決。

因而，量子計算領域的研究人員應該聽從IBM物理學家羅爾夫-蘭道爾（Rolf Landauer）幾十年之前在量子計算首次升溫時提出的警告：他敦促量子計算的支持者們在自己的出版物當中列出以下免責聲明——這套方案與所有其它量子計算實現方案一樣，以機會性技術為基礎，與現有實現方式無關，未能考慮到所有可能的干擾源、不可靠性與製造錯誤因素，且可能無法真正實現。」

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