撰文  Philip Ball

翻譯  孫英特

審校  張夢茜 金莊維

編輯  魏瀟

在量子計算的可行性被質(zhì)疑長達幾十年后，全世界范圍內(nèi)忽然掀起了對于量子計算的追逐狂潮。兩年前，IBM 向公眾開放了一臺只有 5 個量子比特的迷你量子計算機，被人們（有些尷尬地）稱為 IBM 的 Q 體驗。對于研究者來說，那更像一臺玩具而不是能夠真正進行高強度數(shù)據(jù)運算的機器。不過，全世界依然有超過七萬用戶注冊并體驗了這一服務。截止目前，其量子比特數(shù)已經(jīng)翻了兩番。 IBM 和英特爾公司分別宣稱他們建造了具有 50 和 49 量子比特位的量子計算機，谷歌也正伺機而動?！傲孔佑嬎愕目蒲腥ψ雍苡谢盍?，并且最近也確實取得了巨大的進展，”來自柏林自由大學的物理學家延斯·埃斯特（Jens Eisert）說。

大家都在談論著實現(xiàn)所謂的“量子霸權(quán)”，即量子計算機執(zhí)行某個任務的能力將超越最好的超級電子計算機。乍一聽到這個概念，再看看現(xiàn)有量子計算機中的 50 個量子比特和筆記本電腦里面上百億的傳統(tǒng)比特，這種懸殊的差異，不免讓人覺得是天方夜譚。但是量子計算機的最大優(yōu)勢就是每一個量子比特的運算能力都遠遠高于傳統(tǒng)比特。長久以來，大家都相信 50 個量子比特的量子計算機應該能夠解決讓傳統(tǒng)計算機束手無策的某些問題。在 2017 年年中，谷歌的研究人員宣布他們希望能夠在年末時證實量子霸權(quán)的存在。不過當被問及最新進展時，一位發(fā)言人說“盡管我們希望能夠盡快的宣布結(jié)果，但我們也需要認真審查工作中的所有細節(jié)，確保結(jié)果的可信度”。

現(xiàn)在的研究進展也許會讓人興奮地覺得所有的基礎和原則性問題都已得到解決，未來通往通用量子計算的道路上只剩下工程技術(shù)需要去實現(xiàn)。但遺憾的是，事實遠非如此。量子計算的基礎物理問題并沒有得到完全解決，而這些問題與量子計算的技術(shù)實現(xiàn)緊密相關(guān)。

即便我們很快能夠?qū)崿F(xiàn)“量子霸權(quán)”這一里程碑，接下來的一兩年也將是檢驗量子計算機能否革新傳統(tǒng)計算領域的關(guān)鍵時刻。通往通用量子計算時代的道路仍然極為坎坷，需要多方的共同努力。

IBM 的量子計算中心， Connie Zhou for IBM

量子計算的優(yōu)勢和所面臨的挑戰(zhàn)，都源于量子物理本身。很多人都嘗試過解釋量子計算的基本原理，但并不總能說明白它與經(jīng)典計算之間的細微差別。經(jīng)典計算機是通過一串二進制代碼 0 和 1 來編碼和操縱信息。量子比特所做的事情在本質(zhì)上并沒有區(qū)別，只是它們能夠處在 0 和 1 的疊加態(tài)下。換而言之，當我們測量量子比特的狀態(tài)時，會得到一個一定概率的 0 或 1 。

為了用許多這樣的量子比特執(zhí)行計算任務，它們必須持續(xù)地處在一種相互關(guān)聯(lián)的疊加態(tài)下，即所謂的量子相干態(tài)。這些量子比特處于糾纏之中，一個比特的變化能夠影響到剩下所有的量子比特。這就暗示了基于量子比特的運算能力將遠遠超過傳統(tǒng)比特。傳統(tǒng)電子計算機的運算能力隨著比特位的增加呈線性增長，而每增加一個量子比特位，則有可能使量子計算機的運算能力加倍（呈指數(shù)增長）。這也就是為什么 5 量子比特位和 50 量子比特位的量子計算機有天壤之別。

值得注意的是，我從來沒有聲稱——盡管很多人這么說過——相對于傳統(tǒng)電子計算機，量子計算機的優(yōu)勢來源于疊加極大地增加了可以進行信息編碼的態(tài)的數(shù)量。我也沒有宣稱量子比特的糾纏性質(zhì)允許許多運算得以平行進行。盡管這些說法在某種意義下有正確的成分，但是都沒有抓住量子計算的本質(zhì)。

一個 50 量子比特位計算系統(tǒng)的中心結(jié)構(gòu)   Connie Zhou for IBM

為什么量子計算機的計算能力如此強大？實際上，我們很難精確地給出一個定性的回答，因為科學家們難以精確解釋量子力學的含義。量子理論的方程確實表明，至少在大多數(shù)因式分解和數(shù)據(jù)庫搜索上，量子計算的運行速度相比傳統(tǒng)計算機有了極大提高，但這到底是如何提升的卻依然未知。

也許最保守的說法應該是，量子力學創(chuàng)造了一種傳統(tǒng)計算機所沒有的“計算資源”。正如來自于加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所的量子物理學家丹尼爾·戈茲曼（Daniel Gottesman）所說，“計算中應用了足夠多的量子力學，計算速度就會極大提高。沒有用夠，就沒有提高?！?/span>

不過有些事情是清楚的，在進行量子計算的時候，你必須確保所有的量子比特處于相干態(tài)中。這是一個十分困難的要求，因為量子相干系統(tǒng)會與它們周圍的環(huán)境相互影響，使得相干性迅速衰減，也就是“退相干”。研究者們所建造的量子計算機必須擁有能延緩“退相干”的能力，而目前相干性最多只能保持不到一秒。隨著量子比特數(shù)量的增加，保持相干態(tài)將變得越來越難，因為越多的量子比特數(shù)意味著系統(tǒng)越容易和周圍環(huán)境相互影響。這也在很大程度上解釋了，為什么 1982 年費曼就提出了量子計算的概念，其基礎理論也在 90 年代早期逐漸成熟，但是直到最近才出現(xiàn)能實際進行計算的設備。

實現(xiàn)量子計算還面臨著一項基礎性困難。和自然界的其它過程一樣，噪聲干擾無處不在。隨機波動、來自量子比特的熱能、甚至基本的量子物理過程都可能會改變量子比特所處的狀態(tài)，進而干擾到量子計算。這同樣也是影響傳統(tǒng)電子計算機運算的一個問題，不過解決辦法比較簡單有效：只要給每個比特位備上多個副本，這樣出現(xiàn)錯誤的那一個就會十分明顯，立刻被發(fā)現(xiàn)。

量子計算的研究者們找到了一些解決噪聲的辦法。但是這些辦法都需要消耗巨大的、甚至所有的計算能力，用于糾錯而不是運行你所需要的算法。安德魯·柴爾茲（Andrew Childs），馬里蘭大學量子信息和計算科學聯(lián)合中心的主任之一評論道，“目前的編碼錯誤率嚴重限制了量子計算的復雜程度。如果我們想用量子計算機做一些有意思的事情，那在這方面必須做到更好?！?/span>

安德魯·柴爾茲（Andrew Childs），馬里蘭大學， by John T. Consoli

很多關(guān)于量子計算基礎理論的研究都集中到了編碼糾錯上來。這個領域的部分困難來源于量子力學的另外一個基本特性：觀測會破壞量子比特所處的疊加態(tài)，而使其坍塌到一個具體的值—— 0 或 1 上。那么問題來了：如果你不能測量一個量子比特所處的狀態(tài)，你如何能夠發(fā)現(xiàn)它出錯了？

一個十分精妙的辦法就是將量子比特和另一個“附屬比特”聯(lián)系起來，而附屬比特并不直接參與計算過程。如此一來，就可以通過測量“附屬比特”來得到主比特的信息，同時不會引起主比特的坍塌。但理論不等于實際。采用這種辦法，即建造一個能夠完成自我編碼糾錯的“邏輯量子比特”，意味著你會需要很多個實際的量子比特。

到底需要多少個？來自哈佛大學的量子物理學家阿蘭·阿斯普魯古茲克（Alán Aspuru-Guzik）預計在現(xiàn)在的技術(shù)水平下大約需要上萬個實際量子比特才能建造一個“邏輯比特”。這是一個天方夜譚的數(shù)字。當然他也承認，隨著技術(shù)進步，這一數(shù)字會大大減小，降低到只需要幾千個甚至數(shù)百個。德國柏林自由大學的埃斯特則沒有那么悲觀，認為現(xiàn)在大約 800 個量子比特就能夠構(gòu)建一個邏輯量子比特。不過即便如此，他也同意“自檢負擔還是太重。” 當下，我們還是需求尋求新的辦法去處理這些容易產(chǎn)生編碼錯誤的量子比特。

一種替代的方式就是去避免量子比特產(chǎn)生錯誤，或者消除錯誤帶來的影響。這種辦法被稱之為錯誤抑制算法（error mitigation）。比如來自于 IBM 的研究者們就在開發(fā)新的辦法——從數(shù)學上計算出一次運算中究竟有多少編碼錯誤會產(chǎn)生，從而推斷出“零噪聲”極限下的計算結(jié)果。

一些研究者認為量子編碼糾錯是一個非常棘手的問題，而且會阻礙量子計算各種偉大目標的實現(xiàn)。來自以色列耶路撒冷希伯來大學的數(shù)學家吉爾·卡萊（Gil Kalai）說，“創(chuàng)造出真正的量子編碼糾錯比展示量子霸權(quán)要困難得多。” 并且他認為“沒有編碼糾錯能力的計算設備是非常原始的，而在這樣的計算設備上展示量子霸權(quán)是根本不可能的。”簡而言之，出錯的量子計算機，永遠比不過傳統(tǒng)計算機。

而另外的一些研究者則相信量子編碼糾錯的難題最終會被攻破，根據(jù)一位來自 IBM 湯姆斯沃森研究中心的量子信息學家杰伊·加貝塔（Jay Gambetta）的說法，“我們最近在 IBM 所進行的實驗展示了小型設備上的量子編碼糾錯的原型，也為在更大規(guī)模的設備上長時間穩(wěn)定存儲量子信息打下了堅實的基礎。” 即使如此，他也承認“距離一個能夠使用邏輯比特位，進行編碼糾錯的通用量子計算機仍然有很長的道路要走。”這些進展讓柴爾茲保持一個謹慎的樂觀態(tài)度：“我相信我們很快就能看到優(yōu)化的量子編碼糾錯的實驗展示，但距離真正的應用還有很遠。”

目前為止，量子計算機都很容易產(chǎn)生編碼錯誤。問題是我們?nèi)绾文軌蚝途幋a錯誤“和諧”相處。在 IBM，研究者們正在談論近期內(nèi)實現(xiàn)這一想法的一個可能方法——“近似量子計算”。也就是說去找到能夠適應、容忍噪音的算法，能夠在噪音的干擾下，仍然得到正確的答案。

這就像是在大選中，我們能夠無視一些出錯的的電子選票，仍然得到正確的選舉結(jié)果?！耙粋€擁有足夠大的計算能力和足夠高保真度的量子計算機，應當具備超越現(xiàn)有電子計算機的優(yōu)勢。盡管它不一定能完全不受噪音干擾。” 加貝塔說。

現(xiàn)階段一個最有可能的容忍噪聲的應用，就是在原子層面上進行物質(zhì)模擬（事實上，這正是費曼提出量子計算的出發(fā)點）。對科學家們來說，這更有價值。

量子力學的方程給出了一種計算物質(zhì)性質(zhì)的途徑，例如一個藥物分子穩(wěn)定性和化學反應性。但是如果不做出諸多簡化，傳統(tǒng)計算方法對此無能為力。

相比之下，柴爾茲說，電子和原子的量子行為，“與量子計算機的計算原理更加緊密相關(guān)。”所以我們能夠構(gòu)造一個具體分子的計算機模型?！鞍ㄎ以趦?nèi)的這一領域的很多研究者都堅信量子化學和材料學將會成為這種計算設備最早的有應用價值的領域，” 阿斯普魯古茲克說道。他一直在竭力推動量子計算向這一方向發(fā)展。

量子模擬目前正在一些比較小的量子計算機上證明著自身的價值。一隊包括阿斯普魯古茲克在內(nèi)的研究者們正在開發(fā)一種被稱之為可變量子本征求解（variational quantum eigensolver, VQE）的算法，能夠在有外界噪聲干擾的情況下找到一個特定分子的最低能量態(tài)。當然到目前為止，這種算法只能夠處理只含有幾個電子的小分子結(jié)構(gòu)，在這個大小下即便是使用傳統(tǒng)電子計算機也能夠得到準確的計算結(jié)果。加貝塔和同事于去年 9 月份使用 IBM 的 6 個量子位的設備去計算了諸如氫化鋰、氫化彼等小分子的電子結(jié)構(gòu)。來自瑞士蘇黎世皇家理工學院的物理化學家馬科斯·雷勒（Markus Reiher）說“這是在量子領域具有跨越性的工作。” 加貝塔則表示：“使用 VQE 算法模擬小分子結(jié)構(gòu)，展示了近期探索性算法的可能?！?/span>

但即便是這樣的應用，阿斯普魯古茲克承認，我們也需要能夠進行編碼糾錯的邏輯量子比特位，才有可能真正的超越傳統(tǒng)的電子計算機。“我非常期待，具備編碼糾錯能力的量子計算機成為現(xiàn)實的那一天?！?/span>

“如果我們擁有超過 200 個邏輯比特位，我們就能在量子化學上做到傳統(tǒng)計算機無法做到的事情?！?雷勒補充道?！叭绻麚碛?5000 個邏輯比特位，量子計算機將為這一領域帶來顛覆性的改變?！?/span>

盡管有很多挑戰(zhàn)，但是反過來講，不過一年量子計算機就從 5 個比特位跨越到 50 個比特位的巨大進步，著實給我們帶來了很多希望。但我們不能僅僅滿足于這些數(shù)字，因為它們只告訴了我們事實的一部分。真正重要的不僅僅是有多少個量子比特位（這甚至不是主要因素），而是量子比特的性能好壞，以及算法是否高效。

所有的量子計算都必須在退相干效應發(fā)生并擾亂量子比特前完成。而在目前的條件下，一群預先組裝好的量子比特位會在幾個微秒內(nèi)就發(fā)生退相干。在這么短的時間內(nèi)所能完成的邏輯操作的次數(shù)，取決于量子邏輯門切換的速度。如果這個速度過慢的話，有再多量子比特位也沒用。一次計算所需要的邏輯門操作的次數(shù)被稱為深度，很顯然低深度的量子算法比高深度的算法更容易實現(xiàn)和控制。但問題的關(guān)鍵是它們能不能承擔有意義的計算任務。

更重要的是，并不是所有的量子比特所遭受的噪聲都是一樣的。理論上一些材料的拓撲電子態(tài)能夠制造出低噪聲的量子比特。這些電子態(tài)的“形態(tài)”使得利用它們來編碼二進制信息的時候，有較強的抗隨機噪聲的能力。來自于微軟的研究者們正在一些特別的量子材料中尋找這些拓撲電子態(tài)。但到目前為止還不能保證這些電子態(tài)被找到或者能夠被控制。

來自于 IBM 的研究者們提出了一個“量子容量”（ quantum volume）的概念，用于描述特定設備的量子計算能力。這個數(shù)字會綜合考慮量子比特的數(shù)量和關(guān)聯(lián)性、算法的深度、以及量子邏輯門的各項性能指標比如抗噪能力。加貝塔認為只有這樣的“量子容量”概念才能對量子計算機的計算能力有一個很好的表征，并且他還認為當務之急就是發(fā)展能夠提升量子容量的量子計算硬件。

這也就是為什么“量子霸權(quán)”這個概念比人們看起來更模棱兩可。50 量子比特位的量子計算機就能夠超越當今最先進的電子計算機，確實十分誘人，但同時也留下了很多值得深思的問題。量子計算機究竟在解決哪些問題上能夠超越電子計算機？在不能用傳統(tǒng)設備進行重復試驗和檢測的時候，如何知道量子計算機得到了正確的答案？你怎么確定在有更優(yōu)算法的情況下傳統(tǒng)電子計算機不能做得更好？

所以我們應該謹慎對待“量子霸權(quán)”這個概念。現(xiàn)在更多的研究者傾向于使用“量子優(yōu)勢”，用來指代量子計算設備所帶來的速度提升，而不是斷言哪種設備更優(yōu)秀。此外，對于“量子霸權(quán)”這個概念的厭惡，還來源其隱含的種族和政治意味。

無論如何命名，展示量子計算機超越現(xiàn)有傳統(tǒng)設備，對這個新興領域具有重大的精神意義。埃斯特說：“確定清晰的量子優(yōu)勢將是一個重要的里程碑。“ 它將證明量子計算機確實可以大幅度擴展目前的科技邊界。

確認“量子優(yōu)勢”更多的是具有象征性意義，而不是真正引發(fā)計算領域的變革。不過，這件事情仍然非常重要，因為如果量子計算想要取得成功，不能僅靠谷歌或者 IBM 忽然之間出售一些高端機器，而需要開發(fā)者和使用者之間緊密的相互合作。只有在相信所有的投入都是有意義的情況下，使用者的各種配套技能才會取得快速發(fā)展。

這正是 IBM 和谷歌熱衷于向公眾開放量子計算設備的原因。在 IBM 的 16 量子比特計算機向所有的在線注冊用戶開放后，一個 20 量子比特的設備也已經(jīng)向包括摩根，戴姆勒，本田，三星，劍橋大學等企業(yè)用戶開放。這不僅能幫助客戶們探索量子計算的優(yōu)勢，也會建立起一個充滿量子計算開發(fā)者們的社群。他們將團結(jié)起來創(chuàng)造新資源并解決問題，完成任何一家公司都無法單獨做到的事情。

“為了讓量子計算真正發(fā)力和蓬勃發(fā)展，我們必須讓全世界都能去使用和學習它，”加貝塔說?！艾F(xiàn)在正是科研界和工業(yè)界努力為量子計算的時代到來做準備的時候。”

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/the-era-of-quantum-computing-is-here-outlook-cloudy-20180124/