活在实验室还是实现霸权?揭开当前量子计算技术进展之谜

选自IEEE Spectrum

作者：Lee Gomes

机器之心编译

参与：刘晓坤、黄小天、李泽南

随着谷歌要在今年实现「量子霸权」等新闻的出现，社交网络上最近出现了一个热门的话题：当前的量子计算技术前沿是什么水平？量子计算和人工智能一样，是目前人类科技发展的重要方向。在摩尔定律逐渐失效的今天，科技巨头和创业公司无不想使量子计算成为主流，但成功与否依然未知。本文作者探访了数位一线研究人员，试图为你揭开当前人类量子技术水平的谜团。

值得注意的是，其中大多数人都对目前量子计算技术的进展持谨慎态度，正如其中一位科学家所说的：「我不认为那些鼓吹量子计算机将很快能够解决现实世界问题，或实现商用化的人是完全诚实的。」

IBM 的新量子计算机看起来像科幻电影中的道具；这些复杂的装置是否有用依然不得而知。

你一定知道「薛定谔的猫」，那只同时处在生和死的状态的猫。现在我们来认识一下「薛定谔的科学家」，他们同时处在一种既高兴又惊恐的怪异状态之中。

薛定谔的著名思想实验再次以新的形式出现，因为量子研究者正处在孜孜追求的成功的风口浪尖：打造一台传统计算机无法匹敌的量子计算机。数年来他们坚持与认为量子计算机只不过是科学幻想的唱反调的人论战，现在他们终于有了自我祝贺的资格。

但是同时他们也在抨击媒体的炒作，后者过分夸大了量子计算的进展。比如，《时代》杂志 2014 年 2 月 17 日量子计算专题中，编辑在封面上写到：「无限机」（the Infinity Machine）如此具有革命性以至于其可解决人类一些最复杂的问题。自此之后，媒体的炒作之风一发不可收拾。

科罗拉多大学波尔得分校的量子计算研究员 Graeme Smith 解释了现今这一领域面对的难题，他说：「过去你在这一领域工作，如果你告诉每个人量子计算未来大有前景，那么你一定是个乐观主义者；现在情况改变了，当有人讲量子计算机很快会解决所有问题时，我和同僚们简直无法相信。大家争先恐后地声明量子计算机的用途，这看上起像极了一场恶性竞争。」

目前激动人心的原因是，就在今年某个时候，量子计算有望取得一个里程碑式的成果。在谷歌和 IBM 研究小组的领导之下，科学家预计实现「量子霸权」。这意味着该系统能解决传统现有计算机没有内存或处理能力来解决的问题。

尽管标题党们一再宣称量子计算的到来不可避免，但其成就相比炒作会打折扣。首先，谷歌用以运行以展示量子霸权的算法并未做出任何实际重要的事情：超出目前任何传统计算机的计算能力的问题。

构建人们实际关心的、可解决实际问题的量子计算机需要长年的研究。谷歌和 IBM 的量子计算工程师说道，确实，能够解决最棘手的计算问题的量子计算机可能还要再等数十年。

即使这样，实际上该领域没人会期望量子计算机取代传统计算机——尽管随着摩尔定律失效，人们普遍相信量子计算时代呼之欲出。目前所有量子计算机的设计都是将其与传统计算机配对，执行无数的预处理和后处理步骤。更重要的是，考虑到让量子计算机工作的软硬件开销，现在许多可以在传统计算机上快速执行的日常编程任务实际上在量子计算机上可能运行得更慢。

曾在 NIST 工作多年，后来加入微软雷德蒙德研究院的量子研究员 Stephen Jordan 说：「我并不认为有人会希望量子计算机取代传统计算机。」而且，量子计算机很可能只对现有计算机无法处理的、回报巨大的特定计算工作有帮助。

量子计算机的想法最早可追溯到诺贝尔奖得主、物理学家 Richard Feynman 在 1981 年的一次演讲，其中他设想了通过亚原子粒子的特有属性建模其他亚原子粒子行为的可能性。曾工作于 AT&T 贝尔实验室、现在 MIT 的 Peter Shor 在 1994 年的论文《Algorithms for Quantum Computation: I Discrete Logarithms and Factoring》中提出了更好的设想：如果可以打造一台量子计算机，找到大数的质因子，就可以破解常用的公钥加密系统。这样一台计算机将从根本上瓦解互联网。

这引起了很多人的关注，特别是涉及加密的美国安全机构，他们很快开始投资量子硬件研究；在过去的二十年，政府开销达数十亿美元。现在量子技术更加接近商业化，风投资本也开始行动，这一现象与目前的量子炒作程度很相关。

那么，量子计算机到底是怎么工作的？

给出一个扼要而易懂的解释并非易事，这就是为什么 2016 年 4 月加拿大总理 Justin Trudeau 成了极客英雄。在一次新闻发布会现场（后来在网上迅速传播开来），Trudeau 解释道：「传统的计算机只有 1 或 0，是二值系统；而量子态允许更复杂的信息被编码进单一比特。」

IBM 的新量子计算机：Carl De Torres/StoryTK/IBM Cold-Hearted Computing，和谷歌的一样，必须冷却到接近绝对零度才能工作。降温是通过稀释制冷机来实现的，如上图所示。

量子计算机的主要构件模块是量子比特（qubit），任何量子性质，例如电子能级、自旋或光子的量子态等都可以用来表征量子比特，只要系统可以将其隔离并控制它们。一个量子比特只有两个状态，而 n 个量子比特最多可以表示 2 的 n 次方个状态。

例如，为了运行一个特定程序，某些量子计算机使用电磁波脉冲序列来操控量子比特，每个脉冲都具有确定的频率和确定的持续时长。这些脉冲就是量子程序的指令（门操作）。每个指令都导致未被测量的量子比特的状态以特定方式进行演化。

这些脉冲操作不仅仅在一个量子比特上进行，而是在所有的量子比特上进行，通常每个量子比特或每个集群的量子比特接收不同的脉冲指令。量子计算机的量子比特通过纠缠相互作用，纠缠使这些量子比特的状态互相关联。在这里最重要的是，对量子比特的状态的相继改变可以用于执行有用的计算。

一旦量子程序完成执行——数千甚至上百万个激光脉冲的作用——量子比特将被测量以输出计算的最终结果。测量操作使得每个量子比特变成 0 或 1，即量子力学中著名的波函数坍缩。

这是量子计算机开发中需要直接面对的工程问题，不仅仅是因为量子比特必须与外界隔离（哪怕只有轻微的干扰），至少在完成计算后的输出结果阶段也是非常重要的。这个困难也导致了直到最近几年，最大规模的量子计算机也不过一二十个比特，并且只能运行最简单的算法。

由于噪声的包围，量子比特容易出现错误。为了解决这个问题，量子计算机需要额外的量子比特作为备份。如果一个量子比特失效了，系统将根据备份比特来将出错的比特恢复为合适的状态。

这种纠错方法在经典计算机里也存在。但在量子系统中用于纠错的备份比特的数量要显著多于经典计算机。工程师以此来评估可靠的量子计算机的标准，每个实用的量子比特可能需要 1000 个或更多的备份比特。由于很多高级算法都需要数千个量子比特来初始化，从而量子比特的总数量（包括纠错的备份比特）将很容易达到数百万个。

与此相比，谷歌最近发布的量子计算芯片才包含 72 个量子比特，这些量子比特的实用价值取决于它们的出错率。

谷歌的量子计算机研发由来自加州大学圣芭芭拉分校的一支被同时聘用的团队所领导。在去年的 11 月，IBM 宣布开发出了 50-qubit 的量子计算机。这两个公司，以及 Rigetti Computing、英特尔（近期开发了 49-qubit 阵列），他们研发的量子计算技术都依赖于特殊设计的超导电路。这些芯片必须被保持在相当低的温度，需要复杂的冷却设备来维持运作。

有一种完全不同的量子硬件架构，其中的量子粒子即离子悬浮在室温运行的系统中。马里兰州大学园区的创业公司 IonQ 由杜克大学的物理学家 Jungsang Kim 和马里兰大学的 Christopher Monroe 成立，正在开发一台使用这种方法的量子计算机，他们使用的是镱离子。

微软选择探索第三个方向，即拓扑量子计算，它在理论上很有潜力，但尚未出现真正可工作的硬件。

所有这些系统，与近年来最受公众熟知的量子相关的计算平台即加拿大的 D-Wave 系统，都没有多少相似之处。虽然一些著名公司如谷歌和大众汽车已经购买了 D-Wave，但是量子研究社区中很多人都对此类设备抱有怀疑态度。那些科学家怀疑 D-Wave 是否能做经典计算机不能做的事，以及它们是否获得了任何的量子加速。

谷歌-IBM-Rigetti 的超导量子计算方向目前在硬件开发上处于领先地位，但目前尚不清楚哪种形式的硬件将被证明是最先进的，也许三个方向将共存。对于量子编程研究者而言，他们不关心哪种设计将胜出，只要有量子比特可以用就够了。

量子计算还有很多谜团，其中一个就是量子计算机的量子比特数能增长多快。通过传统的计算机技术，摩尔定律长期以来一直确保计算机芯片的晶体管数量每两年翻一番。但由于量子力学对电子行为的限制，摩尔定律已经失效了。很多工程师预期在中期未来，我们将被限制在少数量子比特的技术水平上，可能在未来数百年都将如此。因为量子霸权的基本证明可能也无法提供任何有用的结果，并且成熟的系统还需要很多年才能实现，工程师正集中精力开发可用在近期的一般规模的量子系统的算法。

初步共识：虽然惊喜总是可能的，但进步将是循序渐进的。

「我不认为那些鼓吹量子计算机将很快能够解决现实世界问题，或实现商用化的人是完全诚实的，」加州大学圣芭芭拉分校的物理学家 Wim van Dam 说。

自从 MIT 的 Shor 开发了他的第一个大数因式分解算法的 20 年来，量子计算已和密码学密切相关。但是关于互联网加密系统被破坏的担忧近年已有所缓和，部分是因为量子研究社区意识到能大规模运行 Shor 算法的量子计算机还远未出现，部分是因为「后量子加密」技术是可以不受任何形式的量子攻击所影响的。即使到现在，NIST 仍在评估多种后量子加密基础建设的候选方案。

与其对加密技术过于担忧，研究者近期更关心使用量子计算机来对原子和分子建模，这正是费曼对量子计算的最初洞见。用于模拟物理和化学系统的算法在 NIST 的 Quantum Algorithm Zoo 中是最数值化的部分，其价值是难以估计的，研究者说。想象一下，有一天当我们用量子计算机模拟出室温超导体的时候，世界将变成什么样子。

这里也一样，应该避免不合理的炒作。马里兰大学的物理学家和计算机科学家 Andrew Childs 预测，第一代量子计算机仅能求解相对简单的物理和化学问题。「用这些有限的量子比特，你可以回答凝聚态物理中一些较简单的人类也可能解答的问题，但对于高温超导的理解，将需要非常多的量子比特。」

虽然研究者反对过分乐观，他们也不排除量子计算的突破将使计算机的效率大大提高。越多的程序员将带来越好的算法，这也是 IBM 为什么将其量子计算机上线云平台的原因。

「我可以在这块白板上写下地球上每个量子算法研究者的名字，这才是我们的问题。」来自伯克利量子计算公司的 Chad Rigetti 断言。「我们需要在算法开发上取得更多的进展，为成千上万的学生提供开发算法的机器，这样才能促进量子计算领域的发展。」

在他们看来，目前的研究者们对这个新兴领域以及其中潜在的令人惊奇的发现非常感兴趣，并乐在其中。

五台量子计算机一览

谷歌

谷歌使用超导量子处理器构建量子计算机，例如上图中的将 22 个量子比特按两行排列的设计。

IBM

这个 16-qubit 的超导处理器支持着 IBM 的公开量子计算云平台，帮助人们探索量子计算。

英特尔

今年 1 月份，英特尔发布了 49-qubit 的超导量子计算芯片，称为 Tangle Lake。

IonQ