量子計(jì)算機(jī)就要來了，它真的能改變世界嗎

（原標(biāo)題：Serious quantum computers are finally here. What are we going to do with them?）

在位于紐約市以北約50英里處僻靜鄉(xiāng)村中的一個小型實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，天花板下纏繞著錯綜復(fù)雜的管線和電子設(shè)備。這一堆看似雜亂無章的設(shè)備是一臺計(jì)算機(jī)。它與世界上的任何一臺計(jì)算機(jī)都有所不同，而是一個即將開創(chuàng)歷史的里程碑式設(shè)備。

量子計(jì)算機(jī)的理論運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何傳統(tǒng)的超級計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)或?qū)⑹沟萌藗冊谠訉用鎸ξ镔|(zhì)狀態(tài)進(jìn)行模擬成為可能，從而可以重塑新材料技術(shù)；它們也可以通過無窮的算例破解現(xiàn)有的任何加密算法，重新定義網(wǎng)絡(luò)安全；它們甚至能夠通過對海量數(shù)據(jù)的有效地處理來增強(qiáng)人工智能的水平。

然而到現(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的逐步發(fā)展，研究人員終于離打造出真正的量子計(jì)算機(jī)無限接近了，其強(qiáng)大的功能足以打敗任何傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)，這就是具有里程碑意義的“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）。目前來看，谷歌在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)導(dǎo)地位，而諸如英特爾和微軟等公司也都在努力前進(jìn)，而包括Rigetti Computing，IonQ和Quantum Circuits等有雄厚資金支持的創(chuàng)業(yè)公司也在迎頭趕上。

但是在量子計(jì)算領(lǐng)域，沒有誰能夠和IBM相匹敵沒。早在50年前，IBM在材料科學(xué)方面取得了成績就奠定了計(jì)算機(jī)革命的基礎(chǔ)。這就是我為什么會在去年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(jì)算機(jī)到底有什么好處？我們是否可以打造一款實(shí)用的，可靠的量子計(jì)算機(jī)？

為什么說我們需要量子計(jì)算機(jī)

托馬斯·J·沃森（Thomas J. Watson）研究中心位于美國的約克敦海茨（York-town Heights），整個建筑的外觀看起來有點(diǎn)像上世紀(jì)60年代的飛碟想象圖。這座建筑由新未來主義建筑師小沙里寧(Eero Saarinen)設(shè)計(jì)，并在IBM大型機(jī)業(yè)務(wù)的鼎盛時(shí)期建造。當(dāng)時(shí)IBM是世界上最大的電腦公司，在研究中心落成的十年內(nèi)，它已成為全球第五大公司，僅位于福特和通用電氣之后。

雖然站在建筑物的走廊里可以看到鄉(xiāng)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(nèi)特（Charles Bennett）的其中一間臥室里?，F(xiàn)年70多歲的貝內(nèi)特兩鬢斑白，身處舊電腦顯示器和各種化學(xué)模型的包圍之中。他回想起量子計(jì)算就像是剛剛發(fā)生在昨天一樣。

圖示：IBM研究中心的查爾斯·貝內(nèi)特（Charles Bennett）是量子信息理論的創(chuàng)始人之一，其在IBM的工作為量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了理論基礎(chǔ)

當(dāng)貝內(nèi)特于1972年加入IBM時(shí)，量子物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)有半個世紀(jì)的歷史，但整個計(jì)算科學(xué)仍然依賴于經(jīng)典物理學(xué)和克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon ）于20世紀(jì)50年代在麻省理工學(xué)院開發(fā)的信息數(shù)學(xué)理論。香農(nóng)根據(jù)存儲數(shù)據(jù)所需的“比特”數(shù)量（這是一個他普及但沒有確定的術(shù)語）來定義信息量。這些比特，也就是二進(jìn)制碼的0和1是所有常規(guī)計(jì)算科學(xué)的基礎(chǔ)。

在抵達(dá)約克敦海茨一年后，貝內(nèi)特幫助奠定了量子信息理論的基礎(chǔ)，這將會挑戰(zhàn)傳統(tǒng)計(jì)算科學(xué)。它以原子尺度上物體的特殊性質(zhì)為基礎(chǔ)。在這個微觀尺度下，粒子可以一次顯現(xiàn)出許多種狀態(tài)（例如，許多不同的位置），也就是“疊加”態(tài)。兩個粒子也可能表現(xiàn)出“量子糾纏”，因此改變一個粒子的狀態(tài)可能會瞬間影響到另一個粒子。

貝內(nèi)特和其他人意識到，在量子現(xiàn)象的幫助下，可以有效地執(zhí)行幾種耗時(shí)甚至不可能的計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)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，并且可以使用量子糾纏和量子干涉來找到指數(shù)級大數(shù)據(jù)計(jì)算的解決方案。但是目前還難以比較量子計(jì)算機(jī)相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)到底有多大的計(jì)算優(yōu)勢，但粗略地說，只有幾百個量子比特的量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)執(zhí)行的計(jì)算量要比已知宇宙中的原子數(shù)量更多。

1981年夏，IBM和麻省理工學(xué)院組織了一次名為計(jì)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(xué)院校園不遠(yuǎn)的法國風(fēng)格大廈Endicott House召開。

從貝內(nèi)特與會期間的一張照片中可以看出，計(jì)算科學(xué)和量子物理史上最有影響力的幾位大人物悉數(shù)出席了此次會議。其中包括開發(fā)第一臺可編程計(jì)算機(jī)的康拉德·楚澤（Konrad Zuse）以及量子理論的主要貢獻(xiàn)者理查德·菲利普斯·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）。費(fèi)曼在會上發(fā)表了主題演講，其中提到了使用量子效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算的想法。 “對量子信息理論的發(fā)展幫助最大的就是費(fèi)曼，”貝內(nèi)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，我們需要一臺量子計(jì)算機(jī)。’”

IBM的量子計(jì)算機(jī)，也是現(xiàn)存最有前途的計(jì)算機(jī)，就位于貝內(nèi)特辦公室下面的的大廳里。該機(jī)器被用于創(chuàng)建和操縱量子計(jì)算機(jī)中的基本元素：存儲信息的量子比特 。

夢想與現(xiàn)實(shí)之間的差距

IBM的量子計(jì)算機(jī)利用了超導(dǎo)材料中發(fā)生的量子現(xiàn)象。例如，有時(shí)超導(dǎo)材料中的電子會同時(shí)進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針的移動，這就是量子現(xiàn)象。 IBM的量子計(jì)算機(jī)使用了超導(dǎo)電路，其中兩個不同的電磁能量狀態(tài)組成量子比特。

超導(dǎo)方法具有關(guān)鍵優(yōu)勢。其中的硬件可以使用現(xiàn)有的完善制造方法制造出來，并且能夠通過傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)來控制整個系統(tǒng)。超導(dǎo)電路中的量子比特比單個光子或離子更容易操作，也沒有那么敏感。

圖示：IBM將量子計(jì)算機(jī)連接至云端

在IBM的量子實(shí)驗(yàn)室里，工程師們正在研究一個具有50個量子位的計(jì)算機(jī)。你可以在一臺普通的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行簡單的量子計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，但是不可能模擬多達(dá)50個量子比特。這意味著IBM理論上正在接近量子計(jì)算機(jī)可以解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的問題奇點(diǎn)：換句話說，也就是量子霸權(quán)。

但正如IBM的研究人員告訴你的，量子霸權(quán)是一個難以捉摸的概念。你需要50個量子比特全部正常運(yùn)行才能夠起作用，而實(shí)際上量子計(jì)算機(jī)卻被需要糾正的錯誤所困擾。在任何時(shí)間長度內(nèi)維持量子比特得狀態(tài)都非常困難;他們傾向于“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(fā)困難。

“如果你有50或100個量子比特可以正常運(yùn)行，又能夠?qū)崿F(xiàn)完全糾錯，那么你就可以進(jìn)行前所未有的計(jì)算，任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)都無法復(fù)制的計(jì)算，”耶魯大學(xué)教授、Quantum Circuits公司的創(chuàng)始人羅伯特舍爾科普夫（Robert Schoelkopf）表示，“量子計(jì)算的另一個問題在于，它出錯的方式簡直是指數(shù)級的?！?/p>

另一個值得注意的問題是，即使是堪稱完美的量子計(jì)算機(jī)作用也并不明顯。它并不會簡單地加快任務(wù)處理速度;事實(shí)上，對于許多計(jì)算來說，量子計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度比傳統(tǒng)機(jī)器還要慢。迄今為止，只有少數(shù)特別設(shè)計(jì)的算法在量子計(jì)算機(jī)中具有顯著優(yōu)勢。即使對于這些算法來講，優(yōu)勢也往往是短暫的。最著名的量子算法是由彼得舒爾（Peter Shor）在麻省理工學(xué)院開發(fā)的關(guān)于計(jì)算蒸熟質(zhì)因數(shù)分解問題的算法。許多常見的密碼方案都依賴于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)。但是密碼學(xué)可以進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，創(chuàng)造出不依賴于因數(shù)分解的新型加密代碼。

圖示：IBM量子計(jì)算機(jī)中的芯片所處環(huán)境被降至15開爾文

即便已經(jīng)接近50個量子比特的歷史臨界點(diǎn)，但I(xiàn)BM自己的研究人員依舊熱衷于消除關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的炒作問題。在走廊上的一張桌子邊向外望去是郁郁蔥蔥的草坪，這里我遇到了Jay Gambetta，一位身材高大，性情隨和的澳大利亞人，他研究關(guān)于IBM量子計(jì)算機(jī)的量子算法和潛在應(yīng)用。 “我們處在這個獨(dú)特的階段，”他表示，小心翼翼地進(jìn)行措辭， “我們的設(shè)備比你在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的模擬要復(fù)雜得多，但它的精度還無法控制，因?yàn)槟悴⒉皇智宄撊绾螒?yīng)對量子算法。”

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(jì)算機(jī)也可能是有用的。

Gambetta和其他研究人員已經(jīng)注意到費(fèi)曼在1981年設(shè)想的應(yīng)用?；瘜W(xué)反應(yīng)和材料性質(zhì)取決于原子和分子之間的相互作用。這些相互作用受量子現(xiàn)象的支配。量子計(jì)算機(jī)至少在理論上可以模擬出常規(guī)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(jī)器來模擬氫化鈹?shù)木_結(jié)構(gòu)。雖然僅僅只有三個原子，但它是用量子系統(tǒng)建模的最復(fù)雜分子。最終，研究人員可能會使用量子計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)更高效的太陽能電池，更有效的藥物或可以將陽光轉(zhuǎn)化為清潔燃料的催化劑。

這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還有很長的路要走。但是，Gambetta說，人們或?qū)⒛軌驈囊慌_與經(jīng)典計(jì)算機(jī)配對的易錯量子機(jī)器中獲得有價(jià)值的結(jié)果。

從物理學(xué)家的夢想到工程師的噩夢

“關(guān)于量子計(jì)算機(jī)概念炒作的積極作用是認(rèn)識到量子計(jì)算實(shí)際上是真實(shí)的，”麻省理工學(xué)院教授艾薩克·莊（Isaac Chuang）如是指出， “它不再是物理學(xué)家的夢想，而是工程師的噩夢?！?/p>

在九十年代后期和二十一世紀(jì)初，莊在位于加州阿爾馬登的IBM公司工作，領(lǐng)導(dǎo)了早期量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)。雖然現(xiàn)在莊不再從事相關(guān)工作，但他認(rèn)為我們正處于一個巨大起點(diǎn)之上——量子計(jì)算最終將在人工智能中發(fā)揮作用。

但他也懷疑顛覆不會真正到來，直至新一代的學(xué)生和黑客開始使用實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)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(shí)上，我們并不知道量子計(jì)算機(jī)上’Hello，world'的含義是什么?！?/p>

我們正在開始發(fā)現(xiàn)本質(zhì)。 2016年，IBM將一臺小型量子計(jì)算機(jī)連接到云端。用戶使用稱為QISKit的編程工具包可以在云上運(yùn)行簡單的程序;從學(xué)術(shù)研究人員到小學(xué)生在內(nèi)的成千上萬的人都已經(jīng)開發(fā)了運(yùn)行基本量子算法的QISKit程序?，F(xiàn)在谷歌和其他公司也在將他們的量子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)在你不能用量子計(jì)算機(jī)做很多事情，但至少可以嘗試一下可能會發(fā)生的事情。

創(chuàng)業(yè)社區(qū)對量子計(jì)算機(jī)也越來越興奮?？催^IBM的量子計(jì)算機(jī)后不久，我去了多倫多大學(xué)商學(xué)院，參加了量子創(chuàng)業(yè)公司的一場競賽。一群初創(chuàng)公司企業(yè)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(jì)算機(jī)來模擬金融市場。另一個則計(jì)劃用量子計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)新的蛋白質(zhì)。還有一個想要開發(fā)更高級的人工智能系統(tǒng)。一切皆有可能，但唯一可以得到確認(rèn)的是，每個團(tuán)隊(duì)的業(yè)務(wù)都建立在一種革命性的技術(shù)基礎(chǔ)上，而這種技術(shù)幾乎不存在。幾乎沒有人會因?yàn)檫@個事實(shí)而感到害怕。

如果第一臺量子計(jì)算機(jī)找到實(shí)際用途過于緩慢，那么這種熱情就會逐漸消散。那些真正了解對于諸如貝內(nèi)特和莊等真正了解量子計(jì)算機(jī)的專家來說，他們的最佳猜測是，第一批實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的誕生還有幾年的時(shí)間。同時(shí)，這也要假設(shè)管理和操縱大量量子比特并不是一個棘手問題。

不過，專家們依舊抱著希望。當(dāng)我問莊，當(dāng)我兩歲的兒子長大以后，世界會變成什么樣子，他笑著回應(yīng)， “也許你的孩子將有一個能夠開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的工具包。”（晗冰）

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