原標題：IBM Q 領(lǐng)跑“量子霸權(quán)”，但其背后是無數(shù)工程師的夢魘
五花八門的量子計算機如雨后春筍般出現(xiàn)，那么它們可以用來做什么呢？
圖 | 蒸汽朋克吊燈？并不是。這是世界上最先進的量子計算機之一的 IBM Q。
（攝影：GRAHAM CARLOW）
距離紐約市以北約 80 千米，在一個郁郁蔥蔥的鄉(xiāng)村中，一些精致的管子和電子設(shè)備纏繞在小型實驗室的天花板上。這堆設(shè)備實際上是一臺計算機。這臺名為 IBM Q 的計算機不是一臺普通的計算機，它可能即將成為該領(lǐng)域史上最重要里程碑的計算機。
量子計算機有著遠遠超出任何經(jīng)典超級計算機性能的前景。它們可以通過在原子尺度上模擬物質(zhì)的行為來發(fā)現(xiàn)新材料，還有著破解一些現(xiàn)階段不可破解的代碼的潛力——這將強烈地威脅現(xiàn)代密碼學和信息安全，甚至有希望通過更有效地處理數(shù)據(jù)來增強人工智能。
然而，經(jīng)過了幾十年平緩的發(fā)展，直到最近研究人員才終于構(gòu)建出了一臺量子計算機。這是一個被稱為“量子霸權(quán)”的里程碑。谷歌是這個里程碑的領(lǐng)導者，而英特爾和微軟也有著很重要的貢獻。緊接著，一些資金雄厚的量子計算創(chuàng)業(yè)公司也出現(xiàn)了，其中包括 Rigetti Computing，IonQ 和 Quantum Circuits。
但是，在這個領(lǐng)域還沒有哪個競爭者能與 IBM 相提并論。從 50 年前開始，該公司在材料科學方面取得的成就奠定了現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)。這也是為什么去年 10 月，IBM Thomas J. Watson 研究中心嘗試回答這些問題：量子計算機會對哪些問題有好處？我們真的可以創(chuàng)造出一個實用可靠的量子計算機嗎？
為什么我們需要一臺量子計算機
Thomas J. Watson 研究中心位于 Yorktown Heights，于 1961 年建成，看起來有點像想象中的飛碟。它由新未來主義建筑師 Eero Saarinen 設(shè)計，并在 IBM 全盛期成為大型商用主機的制造基地。IBM 那時是世界上最大的電腦公司，而且在這個研究中心建成的十年內(nèi)，它是世界第五大公司，僅次于福特和通用電氣。
雖然從建筑內(nèi)的走廊可以看到外面的鄉(xiāng)村，但所有辦公室里面都被設(shè)計成無窗的。Charles Bennett 就在其中一間與世隔絕的屋子里。他已經(jīng)是一位七十多歲的老人，留著大片白色連鬢胡子，穿著黑色襪子和涼鞋，還戴著帶有筆的口袋保護器。坐在舊電腦顯示器，化學模型以及奇怪的小迪斯科球中間，他回想起量子計算的出現(xiàn)的事，就像發(fā)生在昨天一樣。
1972 年，當 Bennett 加入 IBM 時，量子物理學已經(jīng)出現(xiàn)了半個世紀，但計算仍然依賴于經(jīng)典物理學和信息數(shù)學理論（由 Claude Shannon 在 20 世紀 50 年代在麻省理工學院建立）。Shannon 根據(jù)存儲信息所需的“比特”（這是一個由他普及但不是他創(chuàng)造的術(shù)語）的數(shù)量來定義信息的數(shù)量。這些比特，也就是二進制代碼的 0 和 1，是所有經(jīng)典計算的基礎(chǔ)。
在抵達 Yorktown Heights 一年后，Bennett 建立了量子信息理論的基礎(chǔ)，這將挑戰(zhàn)信息論的一切，這個理論依據(jù)的是在原子尺度上物質(zhì)的特殊行為。在這個尺度下，粒子可以同時處在許多狀態(tài)（例如，許多不同的位置）的“疊加”。兩個粒子也可以表現(xiàn)出“糾纏”的性質(zhì)，也就是改變其中一個的狀態(tài)可能會瞬間影響到另一個的狀態(tài)。
Bennett 和同事們意識到，在量子現(xiàn)象的幫助下，人們可以有效地執(zhí)行幾種指數(shù)型耗時甚至不可能的計算任務(wù)。量子計算機會將信息存儲在量子比特，或者叫 qubit 中。qubit 可以以 1 和 0 的疊加的形式存在，并且用糾纏和干涉效應(yīng)來找到在指數(shù)量級狀態(tài)下的計算解決方案。雖然惱人的是很難類比量子計算機和經(jīng)典計算機，但大體上講，只有幾百個量子比特的量子計算機能夠同時執(zhí)行數(shù)量上比已知宇宙中的原子更多的計算任務(wù)。
圖 | 量子信息理論奠基人之一 IBM 研究員 Charles Bennett。他在 IBM 的工作幫助建立了量子計算的理論基礎(chǔ)。
1981 年夏天，在距離麻省理工學院校園不遠的法國風格大廈 Endicott House，IBM 和麻省理工學院組織了一次名為“計算物理第一次會議”的里程碑式活動。
當時，在草坪上坐著許多計算和量子物理史上最有影響力的人物，其中包括開發(fā)第一臺可編程計算機的 Konrad Zuse 和量子理論重要貢獻者 Richard Feynman。Feynman 在會議上作了主題演講，他提出使用量子效應(yīng)進行計算的想法。“量子信息理論最大的助推來自 Feynman，”Bennett 告訴我，“他說，'自然是量子的！所以如果我們想模擬自然界，我們需要一臺量子計算機。'”
現(xiàn)存最有潛力的量子計算機之一，IBM 的量子計算機位于 Bennett 辦公室的大廳正下方。該機器被設(shè)計用于創(chuàng)建和操縱量子計算機中的基本元素：存儲信息的量子比特。
理想與現(xiàn)實的距離
IBM 的機器利用超導材料中的量子現(xiàn)象。比如說，超導體中的電流將同時順時針和逆時針流動的現(xiàn)象。IBM 的計算機由超導電路組成，其中兩個不同的電磁能量狀態(tài)組成量子比特。
這種超導實現(xiàn)方案具有很多關(guān)鍵優(yōu)勢。它的硬件可以使用現(xiàn)有成熟的工藝方法來制備，并且可以使用傳統(tǒng)的計算機作為控制系統(tǒng)。超導電路中的量子比特也比單個光子或離子更容易操控，并且對噪聲不太敏感。
在 IBM 的量子實驗室內(nèi)部，工程師們正在研究一個具有 50 個量子比特的計算機。現(xiàn)在人們可以在一臺普通的計算機上運行一個簡單量子計算機的模擬，但是對于大約 50 個量子比特的量子計算機就幾乎不可能了。
這意味著 IBM 理論上正在接近量子計算機可以解決而傳統(tǒng)計算機無法解決的問題：換句話說，量子霸權(quán)。
但正如 IBM 的研究人員所說，量子霸權(quán)是一個難以捉摸的概念。你需要全部 50 個量子比特才能完美工作，而實際上量子計算機卻被糾錯問題所困擾。在任何時間尺度內(nèi)維持量子比特也非常困難;他們傾向于“退相干”，也就是說失去其微妙的量子性質(zhì)，就如煙圈在最輕微的氣流中分解一樣。而量子比特越多，這兩個問題的解決就變得越困難。
圖 | 量子計算的尖端科學需要納米尺度的精確度與家用電子產(chǎn)品的修補精神相結(jié)合。圖為研究員 Jerry Chow 展示一個 IBM 量子研究實驗室的電路板。
“如果你有 50 或 100 個量子比特，并且他們確實工作得很好，有完全糾錯能力，你就可以做一些“不可能的計算”，這些計算現(xiàn)在或以前都不能在任何經(jīng)典計算機上復制，”耶魯大學教授，Quantum Circuits 公司的創(chuàng)始人 Robert Schoelkopf 說，“量子計算的另一面是它存在著指數(shù)級的出錯概率。”
另一個值得注意的原因是，即使是具有完美功能的量子計算機，其實用性可能也并不明顯。它不會簡單地加快你給它的任何任務(wù);事實上，對于許多計算來說，它比傳統(tǒng)機器要慢。迄今為止，只有少數(shù)算法在量子計算機顯然具有優(yōu)勢的情況下被設(shè)計出來。即使對于那些算法，這些優(yōu)勢也可能是短命的。最著名的量子算法是尋找整數(shù)的質(zhì)因子，由麻省理工學院的 Peter Shor 開發(fā)。許多常見的密碼方案都依賴于這個事實，即傳統(tǒng)計算機難以實現(xiàn)大整數(shù)分解。但是密碼學也可以做出改變，創(chuàng)造出不依賴分解的新型密碼。
這就是為什么，即使接近 50 個量子比特的里程碑，IBM 的研究人員也熱衷于消除圍繞它的炒作。Jay Gambetta 是一位身材高大、性格隨和的澳大利亞人，他研究量子算法和 IBM 硬件的潛在應(yīng)用。“我們處在這個獨特的階段，”他說，“我們有比在傳統(tǒng)計算機上可模擬的復雜得多的設(shè)備，但它還不能精確地控制到可以運行任何你熟悉的算法的程度。”
但讓 IBM 員工欣慰的是，即使是不完美的量子計算機也可能是有用的。
Gambetta 和其他研究人員已經(jīng)注意到 Feynman 在 1981 年所做出設(shè)想的一個應(yīng)用。化學反應(yīng)和材料性質(zhì)取決于原子和分子之間的相互作用，并且這些相互作用受量子現(xiàn)象的支配。量子計算機至少在理論上可以建立那些用常規(guī)方法無法模擬的化學材料模型。
去年，Gambetta 和他的同事們在 IBM 使用了一個 7 個量子比特的機器來模擬氫化鈹?shù)木_結(jié)構(gòu)。雖然只包含三個原子，但氫化鈹是用量子體系所能模擬的最復雜的分子。最終，研究人員可能會使用量子計算機來設(shè)計更高效的太陽能電池，更有效的藥物或是能將陽光轉(zhuǎn)化為清潔燃料的催化劑。
這些目標還有很長的路要走。但是，Gambetta 表示，或許可以從一臺與經(jīng)典計算機相當?shù)娜菀壮鲥e的量子機器中獲得有價值的結(jié)果。
圖 | 各種類型的量子計算方案
科學家的夢想，工程師的夢魘
“那些使大家認識到量子計算的噱頭實際上是真實的，”麻省理工學院一位說話溫和的教授 Isaac Chuang 說。“但現(xiàn)在，它不再是物理學家的理想，而是工程師的夢魘。”
在九十年代后期和二十一世紀初，Chuang 在位于加州阿爾馬登的 IBM 部門領(lǐng)導了一些最早的量子計算機的研究。雖然已經(jīng)不再做這類研究工作，但他認為我們正處于一個非常重要的起點階段——量子計算最終將在人工智能中發(fā)揮作用。
但他也懷疑，除非新一代的學生和黑客開始使用真實的量子計算機，否則革命不會真正開始。量子計算機不僅需要不同的編程語言，而且需要本質(zhì)上不同的思維方式來編程。正如 Gambetta 所說：“我們并不知道量子計算機上的‘Hello，world’是什么樣子。”
但他們正在開始找出這種對應(yīng)。2016 年，IBM 將一臺小型量子計算機連接到云端。使用名為 QISkit 的編程工具包，你可以在其上運行簡單的程序;成千上萬的人，從學術(shù)研究人員到小學生，已經(jīng)建立了運行基本量子算法的 QISkit 程序。現(xiàn)在谷歌和其他一些公司也在將他們的新量子計算機聯(lián)網(wǎng)。你不能對它們做很多事情，但至少它們會讓前沿實驗室以外的人嘗試一下未來可能會實現(xiàn)的事情。
創(chuàng)業(yè)群體也越來越興奮。在多倫多大學的商學院量子創(chuàng)業(yè)公司的一場投資比賽上，一些企業(yè)家團隊嚴肅地站起來，向一群教授和投資者介紹他們的想法。一家公司希望用量子計算機來模擬金融市場。另一家計劃設(shè)計新的蛋白質(zhì)。還有一家想要構(gòu)建更高級的 AI 系統(tǒng)。但在這個房間里，沒有人注意到的是，每個團隊都在提出一項以一種還不存在的革命性技術(shù)為基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)，幾乎沒有人對這一事實感到恐懼。
如果第一臺量子計算機還需要很久才找到實際用途，那么這種熱情就會很快消失。那些真正了解困難的人（如 Bennett 和 Chuang）的猜測是，第一批有實用性的機器還需要幾年的時間。并且這是在假設(shè)管理和操控大量量子比特的問題并不會最終被證明很棘手的前提下。
不過，這些專家們還是抱著很大的希望。當問到現(xiàn)在大約 2 歲大的孩子長大后量子世界會變成什么樣時，通過玩微型芯片學會使用電腦的 Chuang 笑著回應(yīng)：“也許這個孩子將有一個用于建立量子計算機的工具包。”
-End-
翻譯：陳臻
校審：戴青
參考：https://cosmosmagazine.com/technology/hello-quantum-world返回搜狐，查看更多
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