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在很多人看來(lái)，量子計(jì)算機(jī)有一種“神奇的力量”，幾乎可以完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不能完成的所有任務(wù)。然而，事實(shí)上，如果量子計(jì)算機(jī)缺乏足夠數(shù)量的處理單元，即量子比特，以及足夠的穩(wěn)定性來(lái)做有用的工作，這些好處就只是“紙上談兵”。

但面對(duì)這一新興領(lǐng)域的無(wú)限潛力，包括中國(guó)、美國(guó)與歐盟等在內(nèi)的不少?lài)?guó)家和地區(qū)都已經(jīng)開(kāi)始在量子計(jì)算的研究方面發(fā)力；與此同時(shí)，從國(guó)外的IBM、谷歌、英特爾到國(guó)內(nèi)的百度、阿里巴巴和騰訊等科技巨頭也紛紛加入戰(zhàn)局。

不過(guò)，就現(xiàn)在的情況而言，真實(shí)的量子計(jì)算世界，已然成為了科學(xué)家的夢(mèng)想，工程師的夢(mèng)魘。

紐約市以北約80公里處，在那個(gè)郁郁蔥蔥的鄉(xiāng)村里有一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室的天花板上纏繞著很多精致的管子和電子設(shè)備。不要以為這是蒸汽朋克吊燈，實(shí)際上，這堆器材是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。當(dāng)然，這也不是一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)，它名為“IBM Q”，是世界上最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)之一，而且還極有可能成為該領(lǐng)域歷史上最重要的里程碑。

要說(shuō)量子計(jì)算機(jī)的前景，它的運(yùn)行范圍將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的范圍，換句話說(shuō)，它們可以通過(guò)模擬物質(zhì)在原子水平上的行為發(fā)掘新的材料；或者可以通過(guò)破解一些秘密代碼對(duì)如今的加密市場(chǎng)造成威脅；甚至還有望通過(guò)更有效地處理數(shù)據(jù)來(lái)增強(qiáng)人工智能。

然而經(jīng)過(guò)幾十年的緩慢進(jìn)步，直到現(xiàn)在，研究人員才終于構(gòu)建出了足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)來(lái)處理傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)——它就是極具里程碑意義的“量子霸權(quán)”。眾所周知，谷歌一直在引領(lǐng)這一里程碑的發(fā)展，與此同時(shí)，英特爾和微軟也做出了巨大的努力。此外，還有一些資金充足的初創(chuàng)公司涉身其中，包括Rigetti Computing，IonQ以及Quantum Circuits。

盡管如此，在量子計(jì)算領(lǐng)域，暫時(shí)還沒(méi)有哪個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者可以與IBM相匹敵，畢竟從50年前開(kāi)始，該公司就已在材料科學(xué)方面取得了進(jìn)步，并為計(jì)算機(jī)革命奠定了基礎(chǔ)。這也是為什么去年10月，IBM Thomas J. Watson研究中心嘗試對(duì)這些問(wèn)題做出回答，包括量子計(jì)算機(jī)有什么好處？人類(lèi)真的可以構(gòu)建出實(shí)用可靠的量子計(jì)算機(jī)嗎？

為什么我們需要一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)？

Charles Bennett是一位70多歲的研究員，在其1972年加入IBM時(shí)，量子物理已經(jīng)有50多年的歷史了。據(jù)他回憶，當(dāng)時(shí)計(jì)算仍然依賴(lài)于由Claude Shannon在20世紀(jì)50年代于MIT建立的經(jīng)典物理學(xué)和信息數(shù)學(xué)理論。Shannon根據(jù)存儲(chǔ)信息所需的“比特”（一個(gè)由他普及但不是他創(chuàng)造的術(shù)語(yǔ)）的數(shù)量來(lái)定義信息的數(shù)量。這些比特，即二進(jìn)制代碼的0和1，是所有傳統(tǒng)計(jì)算的基礎(chǔ)。

一年后，Bennett建立了量子信息理論的基礎(chǔ)。根據(jù)原子水平上的物質(zhì)特殊行為，該理論認(rèn)為粒子可以同時(shí)存在許多狀態(tài)（比如，許多不同位置）的“疊加”（superposed），此外，兩個(gè)粒子也可以表現(xiàn)出“糾纏”（entanglement），因此改變一個(gè)粒子的狀態(tài)可能會(huì)瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)。

就是在這種情況下，Bennett和其他人意識(shí)到，有了量子現(xiàn)象的幫助，人類(lèi)可以有效地執(zhí)行幾種指數(shù)型耗時(shí)甚至不可能的計(jì)算任務(wù)。量子計(jì)算機(jī)將信息存儲(chǔ)在量子比特（Qubit）中。Qubit可以以1和0的疊加存在，并且用糾纏和干涉效應(yīng)來(lái)找到在指數(shù)量級(jí)狀態(tài)下的計(jì)算解決方案。雖然將量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)比很難，但簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，只有幾百個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)執(zhí)行比已知宇宙中的原子更多的計(jì)算任務(wù)。

之后在1981年的夏天，IBM和MIT舉行了一次名為“計(jì)算物理學(xué)第一次會(huì)議”的具有里程碑意義的活動(dòng)。當(dāng)時(shí)，很多在計(jì)算和量子物理學(xué)史上最有影響力的人物，包括開(kāi)發(fā)第一臺(tái)可編程計(jì)算機(jī)的Konrad Zuse和量子理論重要貢獻(xiàn)者Richard Feynman，都參加了這次會(huì)議。其中，F(xiàn)eynman提出了使用量子效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算的想法，也因此，他成為了量子信息理論最大的推動(dòng)力。

如今，IBM的量子計(jì)算機(jī)——世界上最有潛力的計(jì)算機(jī)之一——保存于Bennett辦公室的大廳下方，該機(jī)器旨在創(chuàng)建和操縱量子計(jì)算機(jī)中的基本元素：存儲(chǔ)信息的量子比特。

夢(mèng)想與現(xiàn)實(shí)的差距

如今在IBM的量子實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，工程師正在開(kāi)發(fā)一個(gè)具有50個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)版本。正常情況下，人們可以在普通計(jì)算機(jī)上運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的量子計(jì)算機(jī)的模擬，但如果有約50個(gè)量子比特，則幾乎不可能完成。這就意味著IBM理論上正在無(wú)限接近量子計(jì)算機(jī)可以解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，換句話說(shuō)，是量子霸權(quán)。

正如IBM的研究人員所說(shuō)，量子霸權(quán)是一個(gè)難以捉摸的概念。你需要所有50個(gè)量子比特才能順利工作，但實(shí)際上量子計(jì)算機(jī)卻被糾錯(cuò)問(wèn)題所困擾。但在任意長(zhǎng)的一段時(shí)間里想要維持量子比特也是一件充滿困難的事情，因?yàn)樗鼈儍A向于“退化”（decohere），或者說(shuō)失去其微妙的量子特性（就像煙圈在最輕微的氣流中分解一樣）。而且量子比特越多，解決這兩個(gè)問(wèn)題就越難。

耶魯大學(xué)教授兼初創(chuàng)公司Quantum Circuits的創(chuàng)始人Robert Schoelkopf表示：“如果你有50個(gè)或100個(gè)量子比特且它們運(yùn)行良好，有完全糾錯(cuò)的能力，那你就可以做出一些“不可思議”的計(jì)算，這是在任何傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上都無(wú)法完成的。此外，量子計(jì)算的另一面是它存在指數(shù)級(jí)的出錯(cuò)概率?！?/p>

還有一個(gè)需要注意的問(wèn)題是，即使是功能完善的量子計(jì)算機(jī)，其實(shí)用性可能也不是很明顯。它不會(huì)簡(jiǎn)單地加速研究員拋出的任何任務(wù)；事實(shí)上，對(duì)于許多計(jì)算，它實(shí)際上會(huì)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要慢。到目前為止，只有少數(shù)被設(shè)計(jì)出來(lái)的算法在量子計(jì)算機(jī)上顯示出了優(yōu)勢(shì)，甚至對(duì)于那些算法來(lái)說(shuō)，這些優(yōu)勢(shì)也可能是短暫的。

來(lái)自MIT的Peter Shor開(kāi)發(fā)出了最著名的量子算法，目的是尋找整數(shù)的素因子。許多常見(jiàn)的密碼方案都依賴(lài)于這個(gè)事實(shí)，即傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)大整數(shù)分解。但是密碼學(xué)也可以做出改變，創(chuàng)造出不依賴(lài)分解的新型密碼。

這就是為什么即使他們已經(jīng)接近50個(gè)量子比特的里程碑，IBM的研究人員還是希望能消除圍繞量子計(jì)算的炒作。對(duì)此，專(zhuān)注于研究量子算法和IBM硬件的潛在應(yīng)用的Jay Gambetta表示，“我們正處于一個(gè)特殊的時(shí)期：我們有比在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上可模擬復(fù)雜得多的任務(wù)的設(shè)備，但它還不能精確地控制到可以運(yùn)行任何你熟悉的算法的程度?！?/p>

量子計(jì)算——物理學(xué)家的夢(mèng)想，工程師的夢(mèng)魘

“之所以量子計(jì)算現(xiàn)在炒的火熱，是因?yàn)槿藗冎饾u意識(shí)到，它實(shí)際上是真實(shí)存在的，”MIT的教授Isaac Chuang表示?！八呀?jīng)不再是物理學(xué)家的夢(mèng)想，反而成為了工程師的噩夢(mèng)。”

實(shí)際上，從20世紀(jì)90年代末到21世紀(jì)初，Chuang領(lǐng)導(dǎo)了一些早期量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)。雖然現(xiàn)在他已經(jīng)不在進(jìn)行該領(lǐng)域的研究，但Chuang認(rèn)為我們處在一個(gè)非常重要的起點(diǎn)階段——量子計(jì)算最終會(huì)在人工智能領(lǐng)域發(fā)揮作用。

但他也有懷疑，或許等有新一代學(xué)生和黑客開(kāi)始使用量子計(jì)算機(jī)了，革命才會(huì)真正開(kāi)始。在一定程度上，量子計(jì)算機(jī)不僅需要不同的編程語(yǔ)言，還需要用從本質(zhì)上就不相同的思考方式來(lái)進(jìn)行編程。正如Gambetta所說(shuō)：“我們真的不知道量子計(jì)算機(jī)上的‘Hello， World’是什么樣的。”

不過(guò)，現(xiàn)在研究員也開(kāi)始著手于找出答案了。2016年，IBM將一臺(tái)小型量子計(jì)算機(jī)連接到云端：通過(guò)使用一種名為QISKit的編程工具包，用戶(hù)可以在上面運(yùn)行簡(jiǎn)單的程序；到目前為止，從學(xué)術(shù)研究人員到小學(xué)生，已經(jīng)有成千上萬(wàn)的人構(gòu)建了運(yùn)行基本量子算法的QISKit程序。此外，谷歌和其他公司也在將其剛剛起步的量子計(jì)算機(jī)連到線上。雖然現(xiàn)在我們還不能通過(guò)量子計(jì)算做很多事情，但至少一些身處前沿實(shí)驗(yàn)室之外的人們能夠嘗試一下未來(lái)可能會(huì)發(fā)生的事情了。

在這種情況下，相關(guān)的創(chuàng)業(yè)公司也越來(lái)越興奮了。在多倫多大學(xué)商學(xué)院舉辦的一場(chǎng)量子初創(chuàng)公司投資競(jìng)賽上。一些企業(yè)團(tuán)隊(duì)向一群教授和投資者介紹了自己的想法。比如，有一家公司希望使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬金融市場(chǎng)。而另一個(gè)企業(yè)計(jì)劃通過(guò)量子計(jì)算設(shè)計(jì)新的蛋白質(zhì)。還有人想要建立更先進(jìn)的AI系統(tǒng)。但在賽場(chǎng)上，幾乎沒(méi)有人注意到每個(gè)團(tuán)隊(duì)提出的業(yè)務(wù)都是建立在一項(xiàng)尚不存在的技術(shù)之上的，即使這項(xiàng)技術(shù)具有革命性。更可怕的是，很少有人為這個(gè)事實(shí)感到恐懼。

事實(shí)上，如果第一批量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)展緩慢，那么這種熱情可能很快就會(huì)消失。而那些對(duì)于量子計(jì)算的發(fā)展存在的困難有真正了解的人，比如Bennett和Chuang，猜測(cè)稱(chēng)，第一批有實(shí)用性?xún)r(jià)值的量子計(jì)算機(jī)還要幾年才能出現(xiàn)，而且這一猜測(cè)是在假設(shè)管理和操作大量量子比特的問(wèn)題最終不會(huì)證明是難以處理的條件下提出的。

不過(guò)，研究人員仍對(duì)此抱有很大的希望。想不想知道現(xiàn)在大約2歲的孩子，長(zhǎng)大后會(huì)面臨一個(gè)什么樣的量子世界呢？或許，到時(shí)候他會(huì)有一個(gè)用于建立量子計(jì)算機(jī)的工具包吧。

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