擁有高出普通計算機數十乃至數百倍算力的量子計算機，是吸引了無(wú)數科技公司、大型學(xué)術(shù)團體乃至中國政府的研發(fā)熱點(diǎn)。

　　然而，希伯來(lái)大學(xué)的數學(xué)家、耶魯大學(xué)數學(xué)與計算機科學(xué)兼職教授吉爾·卡萊(Gil Kalai)卻表示，由于量子力學(xué)基本原理的限制，現有的主流技術(shù)永遠無(wú)法使量子計算機成功進(jìn)入實(shí)際應用。

　　這種觀(guān)點(diǎn)引發(fā)了圈內人士激烈的爭論，也讓我們開(kāi)始思考：在競爭激烈的賽道上，到底誰(shuí)能夠最終實(shí)現超越普通計算機的“量子霸權”?

　　法國和瑞士的邊境線(xiàn)上，大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)正在地底沉眠。未來(lái)幾年里，這臺世界上最大的粒子加速器將得到升級，而功能的增強會(huì )帶來(lái)更加巨大的數據流——甚至可能到達高能物理學(xué)領(lǐng)域前所未見(jiàn)的數量級。

　　在 2018 年 12 月被關(guān)閉之前，LHC 每秒大約能產(chǎn)生 300 GB 的數據，一年下來(lái)數據量就能累積高達 25 拍字節(petabytes ， 簡(jiǎn)稱(chēng) PB。1 PB = 1024 TB)。換句話(huà)說(shuō)，同等大小的 MP3 歌曲，一個(gè)人要用 5 萬(wàn)年才能聽(tīng)完。在 LHC 升級完成后，歐洲核子研究組織( European Organization for Nuclear Research，通稱(chēng) CERN)的科學(xué)家必須擁有比現在高 50 到 100 倍的計算機算力才能處理好隨之而來(lái)的數據。而尚處藍圖階段的未來(lái)環(huán)形對撞機(Future Circular Collider， FCC)，規模是 LHC 的 4 倍，強度則是 10 倍，將會(huì )產(chǎn)生難以想象的海量數據——至少是 LHC 的 2 倍。

　　為了不被步步逼近的數據洪流淹沒(méi)，CERN 的一些成員開(kāi)始將目光投向新興的量子計算領(lǐng)域。 在 LHC 正在探查的自然法則驅動(dòng)下，量子計算機在極短時(shí)間內處理海量數據將成為可能。更重要的是，量子計算機和 LHC “語(yǔ)言相通”——量子力學(xué)是它們共同的基石。問(wèn)題是，目前我們只擁有量子計算的理論原型，沒(méi)人有把握能建起一個(gè)真正的、可靠的量子計算設備。

　　量子計算機

　　無(wú)論是 Apple Watch 還是計算能力卓越的超級計算機，這些傳統計算機都依賴(lài)于微小硅晶體管，通過(guò)類(lèi)似“開(kāi)、關(guān)”的狀態(tài)轉換來(lái)編碼數據。每個(gè)電路只存在兩個(gè)狀態(tài)——二進(jìn)制代碼中的 1(開(kāi))或 0(關(guān)); 計算機通過(guò)控制電路中的電壓來(lái)轉換“開(kāi)、關(guān)”狀態(tài)，完成編碼。

　　不過(guò)，量子計算機并不拘泥于這種“非 1 即 0”的存儲運算方式。它的內存由量子比特(quantum bits)組成。量子比特可以做到“既 1 又 0”，這意味著(zhù)量子計算機可以疊加所有可能的 0 和 1 組合——讓“1”和“0”的狀態(tài)同時(shí)存在。

　　對 CERN 來(lái)說(shuō)，量子計算機可以幫助他們了解大爆炸之后的幾分鐘內，早期宇宙的演變過(guò)程。物理學(xué)家確信，大爆炸剛剛結束后，整個(gè)宇宙是一鍋狀態(tài)奇特的“湯”，“燉著(zhù)”被稱(chēng)為夸克(quark)和膠子(gluon)的亞原子粒子。為了理解這種夸克-膠子等離子體怎樣演變成宇宙如今的樣子，研究人員模擬出了宇宙嬰兒期的狀況，然后在 LHC 上利用多次對撞實(shí)驗測試這一模型。因為量子計算和 LHC 中不停對撞的粒子被相同的物質(zhì)法則支配，所以利用量子計算機進(jìn)行模擬，可以得到更為精確的測試模型。

　　一場(chǎng)馬拉松

　　在基礎科學(xué)研究領(lǐng)域之外，銀行、制藥公司和政府也在苦苦等待——因為量子計算機可以提供比傳統計算機高幾十甚至上百倍的算力。

　　不僅是谷歌，IBM、微軟和英特爾，一些創(chuàng )業(yè)公司、學(xué)術(shù)團體甚至中國政府都加入了量子計算機研發(fā)的競爭中。這場(chǎng)“競賽”的投入相當豐厚：2018 年 10 月，歐盟承諾在未來(lái)十年里，為 5，000 余名歐洲量子技術(shù)研究人員提供 10 億美元的經(jīng)費。與此同時(shí)，風(fēng)險投資人僅在 2018 年一年間，就為研究量子計算的各種公司投入了約 2.5 億美元。悉尼大學(xué)微軟量子實(shí)驗室的負責人大衛·雷利(David Reilly)評價(jià)說(shuō)：“這是一場(chǎng)馬拉松，而我們在這場(chǎng)馬拉松里才剛跑了 10 分鐘。”

　　盡管?chē)@量子計算的炒作不斷，新發(fā)布的量子比特記錄每次都會(huì )引起媒體大肆報道，但其實(shí)沒(méi)有一個(gè)研究團隊達到甚至接近量子計算研究的第一個(gè)里程碑——“量子霸權”(quantum supremacy)。它指的是量子計算機在執行任務(wù)時(shí)，能夠超越經(jīng)典計算機，表現得更好。這些任務(wù)可以是任何形式的，甚至可以是完全人為編造或毫無(wú)意義的。量子計算圈內很多傳言稱(chēng)，谷歌可能已經(jīng)接近了量子霸權，但悉尼大學(xué)的物理學(xué)家、量子計算創(chuàng )業(yè)公司 Q-CTRL 的創(chuàng )始人邁克爾·比埃庫克(Michael Biercuk)認為，即使這是真的，最多也就是給公司制造了一個(gè)吹噓的資本。雷利則表示：“這更像是一個(gè)人為設置的、用于吸引眼球的花招。……沒(méi)有任何現實(shí)意義。”

　　雷利和比埃庫克之所以這樣說(shuō)，是因為這場(chǎng)馬拉松真正意義上的分水嶺——“量子優(yōu)勢”(quantum advantage)比“量子霸權”更加遙遠。量子優(yōu)勢指的是量子計算機在一項具有實(shí)際意義的任務(wù)上勝過(guò)經(jīng)典計算機。(也有一些研究者認為 “量子霸權”和“量子優(yōu)勢”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的意義是相同的。)只有達到了量子優(yōu)勢，馬拉松比賽的終點(diǎn)線(xiàn)才得以顯現：通用量子計算機的誕生。人們希望通用量子計算機能夠帶來(lái)一場(chǎng)“計算革命”：在它的幫助下，我們可以設計出用于拯救生命的藥物新分子、幫助銀行調整其風(fēng)險投資組合、突破所有現行密碼學(xué)規則并開(kāi)發(fā)出更強大的保密系統……而對于 CERN 的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，那可以讓他們一窺大爆炸帶來(lái)的新生宇宙的真面目。

　　CERN 的物理學(xué)家費德里科·卡米納蒂(Federico Carminati)承認，今天的量子計算機難以給研究人員提供比傳統電腦更多的東西。但在等待技術(shù)成熟的過(guò)程中，不畏艱難的他已經(jīng)開(kāi)始修補 IBM 的量子計算機原型——這是當今量子馬拉松中我們邁出的最新一步。2018 年 11 月，CERN 和 IBM 在一個(gè)行業(yè)研討會(huì )上達成了合作協(xié)議。

 

　　IBM 一直在穩步增加其量子計算機上的量子比特數量，從微型的 5 比特(5-qubit)開(kāi)始，發(fā)展到 16 和 20 量子比特(16- and 20-qubit)，直到最近的 50 量子比特(50-qubit)處理器。CERN 研究人員則開(kāi)始開(kāi)發(fā)全新的算法和計算模型，旨在與量子設備協(xié)同發(fā)展?？准{蒂說(shuō)：“這次合作的基礎是我們與技術(shù)提供商建立了穩固的關(guān)系，這是我們量子計算研究的第一步。盡管我們入局有點(diǎn)晚，但是能帶來(lái)獨特的專(zhuān)業(yè)知識。要知道我們是量子力學(xué)專(zhuān)家，而量子力學(xué)是量子計算的基石。”

　　取代傳統計算機?

　　英特爾前 CEO 戈登·摩爾(Gordon Moore)在 1965 年做出的著(zhù)名預測——“集成電路中的元件數量大約每?jì)赡暝黾右槐?rdquo;——在過(guò)去的半個(gè)多世紀成為了計算機行業(yè)的圣經(jīng)。但是越來(lái)越多的人認為，摩爾定律即將達到物理極限。20 世紀 80 年代以來(lái)，被加州理工學(xué)院著(zhù)名物理學(xué)家理查德·費曼(Richard Feynman)發(fā)揚光大的“另一種方法”為計算機行業(yè)找到了新的出路。在 1981 年的一次演講中，他感嘆計算機無(wú)法真正模擬在亞原子水平上發(fā)生的事情，比如電子和光子這樣棘手的粒子——有時(shí)波函數能描述其運動(dòng)，但它們有時(shí)又同時(shí)呈現兩個(gè)狀態(tài)，即量子疊加態(tài)。

　　費曼提議建造一臺可以模擬亞原子水平粒子運動(dòng)的機器。 “對于所有分析都依據經(jīng)典理論這件事，我并不是很欣賞，自然世界他么的可不等于經(jīng)典理論。”他這樣講道，“如果想模擬自然，最好用量子計算機。這絕對是個(gè)好主意，因為它聽(tīng)上去可不怎么容易。”

　　自此，量子計算機研究的馬拉松鳴槍開(kāi)跑。量子比特可以用不同的方式構造出來(lái)，但這一過(guò)程必須遵循一定的規則：兩個(gè)量子比特可以同時(shí)處于狀態(tài) A 或 B，也可以分別處于狀態(tài) A 和 B，所以總共有四種可能情況。不過(guò)在測量之前，你很難知道量子比特的具體狀態(tài)。所以要了解其具體狀態(tài)，就必須將量子比特拉出量子世界，進(jìn)入我們所在的平凡世界。

　　理論上量子計算機可以同時(shí)處理量子比特能夠擁有的所有狀態(tài)，內存中每增加一個(gè)量子比特，它的計算能力應該呈指數式增長(cháng)。3 個(gè)量子比特有 8(2^3)個(gè)狀態(tài)可以同時(shí)工作;4 個(gè)量子比特有 16(2^4)個(gè)狀態(tài); 10 個(gè)量子比特有 1024(2^10)個(gè)狀態(tài); 對于 20 個(gè)量子比特，則會(huì )有高達 1，048，576(2^20)個(gè)狀態(tài)。我們甚至不需要太多量子比特，就可以超越世界上最頂尖的超級計算機的內存配置。而這就意味著(zhù)，對于特定的任務(wù)，量子計算機可以比世界上所有常規計算機更快地找到解決方案。再加上量子力學(xué)的另一個(gè)關(guān)鍵概念：糾纏態(tài)(entanglement)。這意味著(zhù)量子比特可以鏈接到整個(gè)量子系統，這樣對一個(gè)量子比特的操作就可以影響到系統的其余部分。而量子計算機可以同時(shí)利用以上兩項優(yōu)勢，大大提高其計算能力。

　　許多機構正在量子計算機馬拉松中全力前行之時(shí)，還有很多公司和實(shí)驗室利用不同的方法，和自己比賽。2018 年，來(lái)自加州理工學(xué)院和南加州大學(xué)的物理學(xué)家，使用量子計算機對 LHC 產(chǎn)生的數據進(jìn)行篩選，成功復制了 2012 年希格斯玻色子的發(fā)現過(guò)程。這臺量子計算機由 D -Wave 制造，這家來(lái)自加拿大的公司盡管沒(méi)有實(shí)現“量子霸權”，但是他們證明了量子計算機能夠完成傳統計算機完成過(guò)的工作。

　　超越之路

　　這場(chǎng)馬拉松中最早踏上跑道的運動(dòng)員之一，D-Wave，在 2007 年宣布成功建造了一個(gè)功能齊全的商用 16-qubit 量子計算原型機，不過(guò)這一說(shuō)法至今仍存在爭議。 D-Wave 專(zhuān)注于一種被稱(chēng)為“量子退火”(quantum annealing)的技術(shù)，以現實(shí)世界中量子系統自然趨向低能態(tài)的原理(有點(diǎn)像陀螺轉到最后總會(huì )倒下)為基礎。 D-Wave 量子計算機將問(wèn)題的可能解決方案視為地面上的山峰和山谷，用坐標來(lái)表示，而這些峰和谷的高度則代表其能量。量子退火允許設置問(wèn)題的初始值，然后讓系統在大約 20 毫秒內降落到低能態(tài)，從而得到答案。在這個(gè)過(guò)程中，量子計算機會(huì )從能量高峰下落，直至找到廣闊地面中的最低點(diǎn)——也就是眾多解決方案中的最優(yōu)解。但是它并不試圖完全糾正所有錯誤，這在量子計算中是不可避免的。D-Wave 的首席產(chǎn)品官阿蘭·巴拉茲(Alan Baratz)表示，公司正在研究可以通用的退火式量子計算機原型。

　　除了 D-Wave 的量子退火技術(shù)，還有三種巧妙利用量子世界的方法：集成電路(integrated circuits)、拓撲量子比特(topological qubits)和激光捕獲離子(ions trapped with lasers)。CERN 對第一種方法寄予厚望，但也在密切關(guān)注其他方面的進(jìn)展。

　　IBM 研制的量子計算機剛開(kāi)始被 CERN 投入使用，谷歌和英特爾也有類(lèi)似的產(chǎn)品。他們都以超導金屬，即零電阻的金屬為載體，制造了具備集成電路的量子芯片“量子門(mén)”(quantum gates)。每個(gè)量子門(mén)都包含一對極易受到干擾的量子比特。任何噪聲信號都將破壞這對量子比特并導致誤差。在量子世界中，溫度波動(dòng)、電磁波、聲波和物理振動(dòng)等等任何干擾都屬于噪聲信號。

　　量子門(mén)芯片需要被冷卻到極低的溫度，才能最大程度擺脫外界噪聲，并使電路具有量子力學(xué)效應。坐落在蘇黎世的 IBM 量子實(shí)驗室中，芯片被安裝在一個(gè)白色的罐子里，那是一個(gè)懸掛在天花板上的低溫恒溫器。罐內溫度穩定在 10 毫開(kāi)爾文(millikelvin，mk)或 -273℃，這個(gè)溫度高于絕對零度(-273.15℃)，但低于外太空溫度(-270.15℃)。不過(guò)即使如此低的溫度，也無(wú)法讓量子門(mén)達到最優(yōu)狀態(tài)。

　　使用量子比特芯片時(shí)，科學(xué)家開(kāi)始操作都會(huì )產(chǎn)生噪聲。2012 年創(chuàng )造了“量子霸權”概念的加州理工學(xué)院物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾(John Preskill)表示：“外部世界會(huì )不斷與量子芯片相互作用，并破壞我們正在努力處理的信息。”由于做不到完全消除噪聲，研究人員只好盡可能地抑制它。而超低溫狀態(tài)下，至少量子芯片具有一定的穩定性，能給研究人員更多的時(shí)間來(lái)進(jìn)行量子計算。

　　“我的工作就是延長(cháng)量子比特的壽命，而且我們總共只有 4 個(gè)量子比特可用。”在蘇黎世實(shí)驗室(Zurich lab)工作的牛津大學(xué)博士后 Matthias Mergenthaler 說(shuō)。4 個(gè)聽(tīng)起來(lái)不是很多，不過(guò)對量子比特來(lái)說(shuō)，質(zhì)量比數量重要。而這就意味著(zhù)，研究人員要保持盡可能低的噪聲水平，以確保它們盡可能長(cháng)時(shí)間地處于疊加態(tài)，從而允許量子計算的進(jìn)行。這正是量子計算面臨的最大挑戰之一：需要極其精細的降噪手段。

　　一旦降噪成功，研究人員就會(huì )在傳統計算機上運行的特殊糾錯算法的幫助下，對量子計算遺留下的問(wèn)題進(jìn)行糾錯。這種糾錯方式是對每個(gè)量子比特逐個(gè)糾正，所以量子比特越多，系統需要處理的錯誤就越多。假設量子計算機每 1，000 個(gè)計算步驟出錯 1 次(這聽(tīng)起來(lái)不多)，但經(jīng)過(guò) 1，000 次左右的操作后，程序將輸出錯誤結果。所以，為了輸出有意義的計算結果并超越傳統計算機，量子計算機必須擁有大約 1，000 個(gè)處于較低的噪聲水平、并且得到了糾錯的量子比特。這 1，000 個(gè)量子比特作為一個(gè)整體，被研究人員稱(chēng)做邏輯量子比特(logical qubit)。不過(guò)，這樣的邏輯量子比特到目前為止還難以成功維持——目前最好的量子計算原型機所能實(shí)現的對量子比特的糾錯，也只有 10 個(gè)。這就是它們被命名為“噪聲中尺度量子計算機(noisy intermediate-scale quantum computers ， NISQ)”的原因。NISQ 這個(gè)術(shù)語(yǔ)誕生于 2017 年，和“量子霸權”一樣，命名者也是普雷斯基爾。

　　對于 CERN 的物理學(xué)家卡米納蒂來(lái)說(shuō)，雖然量子計算機遠離一個(gè)成熟技術(shù)的標準還很遠，但這不是主要問(wèn)題。他們面臨的挑戰是，做好在硬件條件滿(mǎn)足要求時(shí)，釋放量子計算機強大算力的準備。 “一個(gè)令人興奮的可能是，我們可以用量子計算機對量子系統進(jìn)行非常非常精確的模擬，畢竟它本來(lái)就是一個(gè)量子系統，”他說(shuō)，“其他開(kāi)創(chuàng )性突破將來(lái)自量子計算和人工智能對大數據的聯(lián)合分析。這是個(gè)相當雄心壯志的構想，對我們的需求至關(guān)重要。”

　　各顯神通

　　但也有一些物理學(xué)家認為，我們永遠不可能為噪聲中尺度量子計算機(NISQ)降噪成功。耶魯大學(xué)教授吉爾·卡萊(Gil Kalai)表示，糾錯系統和降噪技術(shù)永遠都不可能發(fā)展到足夠成熟、能夠允許量子計算機進(jìn)行有實(shí)際用途的計算的程度。他說(shuō)，這不是技術(shù)原因，而是來(lái)自量子力學(xué)基本原理的限制。交互系統中的錯誤有連接或關(guān)聯(lián)的傾向，這意味著(zhù)錯誤會(huì )同時(shí)影響許多量子比特。因此，對需要依靠大量量子比特完成計算的量子計算機而言，通過(guò)創(chuàng )建糾錯代碼來(lái)保持足夠低的噪聲水平，是不可能完成的。

　　“我的分析表明，幾十個(gè)量子比特的 NISQ 提供的算力極為低下，根本不可能作為模塊組成我們所需的更大規模的量子計算機。”吉爾·卡萊表示。這種懷疑論在科學(xué)界被熱議，卡萊等人的博客是討論者的聚集地。這里最近出現了一篇分享次數不少的文章，題為《反對量子計算的案例》(The Case Against Quantum Computing)。而緊隨其后的就是對這篇文章的駁斥，《對反對量子計算的案例的反對》(The Case Against the Case Against Quantum Computing)。

　　目前，這些批評家仍然是少數。加拿大滑鐵盧大學(xué)(University of Waterloo)的物理學(xué)家雷·拉夫蘭姆(Ray Laflamme)認為：“如果我們能將量子比特保持在測量時(shí)的狀態(tài)和規模，那么(量子計算機的準確性)就沒(méi)什么問(wèn)題。” 現在的著(zhù)眼點(diǎn)并非能否達到 50、72 或 128 個(gè)量子比特，而是將量子計算機擴展到這樣的規模后，整體誤差率是否會(huì )顯著(zhù)提高。

　　其他科學(xué)家則認為，用另一種方式構造量子比特，才是抑制噪聲與創(chuàng )建邏輯量子比特的最佳方法。比如微軟的研究人員正在研發(fā)拓撲量子(topological qubits)——盡管其世界各地的量子實(shí)驗室眾多，但時(shí)至今日也沒(méi)人成功。如果這種拓撲量子能夠成功問(wèn)世，它們將比集成電路穩定很多。微軟的思路是把一個(gè)粒子(比如電子)割裂為兩部分，從而創(chuàng )造出馬約拉納費米子準粒子(Majorana fermion quasi-particles)。這種粒子在 1937 年被理論化，并于 2012 年由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(Delft University of Technology)的研究人員在微軟的凝聚態(tài)物理實(shí)驗室，獲得了證明其存在的首個(gè)實(shí)驗證據。

　　微軟的量子硬件(quantum hardware)總經(jīng)理切坦·納亞克 (Chetan Nayak) 表示，“目前我們的 1 個(gè)拓撲量子比特相當于市場(chǎng)上的 1，000 個(gè)其他量子比特。” 換句話(huà)說(shuō)，每個(gè)拓撲量子比特本身就能構成一個(gè)邏輯量子比特。雷利認為，對這些行蹤縹緲難以捉摸的量子比特的研究是值得的，雖然幾年來(lái)進(jìn)展甚微，不過(guò)一旦成功，將這種拓撲量子比特擴展到數千邏輯量子比特的規模，會(huì )比 NISQ 的降噪要容易得多。 “對我們來(lái)說(shuō)，嘗試在不同的量子模擬器和硬件上運行代碼和算法，以期得到最終的解決方案十分重要，”卡米納蒂說(shuō)。 “當然，還沒(méi)有量子計算機能達到量子產(chǎn)品的黃金時(shí)期，我們也一樣。”

　　卡米納蒂正在密切關(guān)注的另一家公司是 IonQ，它是一家從馬里蘭大學(xué)誕生的創(chuàng )業(yè)公司。他們利用第三種方法來(lái)研究量子計算：捕獲離子(trapping ions)。 這些離子是天然的量子，所以一開(kāi)始在室溫下就具有疊加效應，這意味著(zhù)它們不像 NISQ 的集成電路那樣需要超低溫條件。每個(gè)離子都是一個(gè)量子比特，研究人員用特制的微小硅離子籠捕獲它們，然后用激光照射，通過(guò)調整每個(gè)微小激光束擊中量子比特的時(shí)間和強度來(lái)運行算法。光線(xiàn)會(huì )將數據編碼到這些被捕獲的離子中，并通過(guò)改變每個(gè)離子的電子狀態(tài)讀取數據。

　　IonQ 在 2018 年 12 月推出了商業(yè)化產(chǎn)品，這款量子計算機搭載了 160 個(gè)離子量子比特，并可以在 79 個(gè)量子比特組成的序列上執行簡(jiǎn)單的量子操作。不過(guò)，目前這種離子量子比特同谷歌、IBM 和英特爾的集成電路一樣有著(zhù)較大的噪聲信號。無(wú)論 IonQ，還是世界上其他同樣利用激光捕獲離子方法的實(shí)驗室，還沒(méi)有人實(shí)現量子霸權。

　　量子計算機相關(guān)的討論和炒作沸沸揚揚，然而時(shí)間不等人。短短五年內，LHC 就將從沉眠中醒來(lái)，變得更加強大。它產(chǎn)生的所有數據都需要進(jìn)行分析。一個(gè)沒(méi)有噪聲信號、具備糾錯功能的量子計算機，將會(huì )使數據分析這項原本繁重的工作變得輕巧而便捷。量子計算機賽道上從不缺優(yōu)秀競爭者，誰(shuí)會(huì )是這場(chǎng)馬拉松的最后贏(yíng)家?
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