谷歌英特爾紛紛下海：量子計算技術(shù)的現(xiàn)狀與前景

作為一個熱門概念，我們經(jīng)常聽到量子計算又有新突破的消息。但很少人清楚，今天的量子計算技術(shù)究竟走到了哪一步？到底有多少種實現(xiàn)量子計算的方式？本文將對這兩個問題進行全面梳理，介紹如今各技術(shù)流派的發(fā)展，以及各科技巨頭的研究情況。

堅持囚禁離子技術(shù)的量子計算公司

美國量子計算機初創(chuàng)企業(yè) ionQ 有三位核心成員：馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家 Chris Monroe,杜克大學(xué)電氣工程師 Jungsang Kim, 以及原本供職于美國情報部門 IARPA（“高級研究計劃署”）的 David Moehring.其中，前兩位是公司創(chuàng)始人，是研究囚禁離子（trapped ions）的專家。而 David Moehring 是他們雇來的 CEO.

今年九月，這三位還在馬里蘭大學(xué)討論量子計算的前景，包括為什么利用囚禁離子能制造出理想的量子計算機––它有完美的再現(xiàn)性（reproductivity），長生命周期，不錯的激光可控性。

這三人有一個共同觀點：量子計算的黃金時代即將到來。它將利用量子力學(xué)，為電腦運算帶來指數(shù)級得巨幅加速。持同樣觀點的不僅僅有他們?？萍季揞^英特爾、微軟、IBM,谷歌都在向量子計算投入千萬美元的研發(fā)資金。但是，他們在對不同的量子計算技術(shù)下賭注–––沒有人知道，采用哪種量子比特（qubit）能造出有實用價值的量子計算機。

圖表：量子計算五大技術(shù)流派

被看做是量子計算領(lǐng)域領(lǐng)頭羊的谷歌，已經(jīng)做出了選擇：極小的超導(dǎo)電路。谷歌已制造出 9 量子比特的機器，并計劃明年增加至 49 量子比特。這是一個極為關(guān)鍵的門檻。學(xué)者預(yù)計，在 50 量子比特左右，量子計算機就能達到“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）。這是加州理工學(xué)院物理學(xué)家 John Preskill 發(fā)明的名詞，用來指示“量子計算機在一些領(lǐng)域有傳統(tǒng)計算機所不具有的能力”,比如在化學(xué)和材料學(xué)里模擬分子結(jié)構(gòu)，還有處理密碼學(xué)、機器學(xué)習(xí)的一些問題。

IonQ 團隊并沒有因谷歌的成功而氣餒。Jungsang Kim 說：“我不認為谷歌能在下個月宣布成功研制量子計算機。退一步講，即便他們成功了，游戲也不會結(jié)束。” IonQ 堅持使用囚禁離子，它是世界上第一個量子邏輯門背后的技術(shù)。那是一個 1995 年完成的項目，Chris Monroe 是參與者之一。使用精確調(diào)整的激光脈沖，Monroe 能把離子打入持續(xù)數(shù)秒的量子態(tài)， 這遠超谷歌的量子比特。Jungsang Kim 開發(fā)了一個把不同離子群連接到一起的模塊化方案。如該方法奏效，ionQ 就能快速擴大量子比特的規(guī)模。但直到現(xiàn)在，他們只成功地把五個量子比特加入到可編程設(shè)備中。

Chris Monroe 承認，現(xiàn)在很多人把囚禁離子看作是“害群之馬”,但他堅信，將來人們會蜂擁加入到囚禁離子陣營中。

是否會如此還很難說。但有一件事是肯定的：制造量子計算機已經(jīng)從科學(xué)家們的一個遙遠的夢想，變成了科技巨頭們想要立刻實現(xiàn)的目標。ionQ 就是這浪潮中想要分一杯羹的參與者。雖然超導(dǎo)量子比特技術(shù)現(xiàn)在是行業(yè)領(lǐng)頭羊，專家們認為，現(xiàn)在宣布超導(dǎo)量子比特的勝利，還為時過早。量子信息學(xué)非正式院長 Preskill 說：“不同的量子技術(shù)在同時發(fā)展，這是一件好事。因為很可能會有驚喜發(fā)現(xiàn)，然后帶來量子計算領(lǐng)域的革新?！?/p>

量子計算機憑什么超越傳統(tǒng)計算機？

量子比特相比傳統(tǒng)計算機比特更強大，是由于兩個獨特的量子現(xiàn)象：疊加（superposition）和糾纏（entanglement）。量子疊加使量子比特能夠同時具有 0 和 1 的數(shù)值，可進行“同步計算”（simultaneous computation）。量子糾纏使分處兩地的兩個量子比特能共享量子態(tài)，創(chuàng)造出超疊加效應(yīng)：每增加一個量子比特，運算性能就翻一倍。比方說，使用五個糾纏量子的算法，能同時進行 25 或者 32 個運算，而傳統(tǒng)計算機必須一個接一個地運算。理論上， 300 個糾纏量子能進行的并行運算數(shù)量，比宇宙中的原子還要多。

這種超大規(guī)模的并行計算，對于處理日常任務(wù)其實沒什么用。沒有人認為量子計算機會顛覆文字處理和 email.但對于需要同時探索無數(shù)條路徑的算法，還有對海量數(shù)據(jù)庫的搜索，量子計算能極大地提高速度。它能被用來尋找新的化學(xué)催化劑，對加密數(shù)據(jù)的海量數(shù)字作因子分解（factoring），或許還能模擬黑洞和其他物理現(xiàn)象。

但有一個主要的陷阱––量子疊加和糾纏狀態(tài)極度得脆弱，能被環(huán)境中的細微擾動所打破，這包括了任何測量它們的嘗試。量子計算機需要被保護起來，與耶魯大學(xué)物理學(xué)家 Robert Schoelkopf 描述的“汪洋般的混亂”（a sea of classical chaos）隔離開來。

雖然量子計算的理論在 1980 年代就開始出現(xiàn)，直到 1995 年才有了第一次實驗。貝爾實驗室的數(shù)學(xué)家 Peter Shor,向人們展示量子計算機可以對大量數(shù)字快速因子分解––若能實現(xiàn)，這會使現(xiàn)代密碼學(xué)的大部分發(fā)明過時。Peter Shor 和其他人還展示了，若使用臨近量子比特修正錯誤，讓脆弱的量子比特永遠保持穩(wěn)定狀態(tài)在理論上是可能的。

頓時，物理學(xué)家和他們的資助者相信，量子計算機未必會出現(xiàn)一大堆運算錯誤，他們有了充足的理由去嘗試造一臺量子計算機。那時，諾貝爾物理學(xué)獎獲獎?wù)撸?NIST（美國國家標準與技術(shù)研究院）工作的 David Wineland 已經(jīng)開始了對使用激光冷卻離子、并控制他們內(nèi)在量子態(tài)的研究。ionQ 的創(chuàng)始人 Chris Monroe 那時就在 NIST 工作，他與 David Wineland 一起造出了第一個量子力學(xué)邏輯門，使用激光控制鈹離子的電子態(tài)。有著和 Wineland 研究離子的經(jīng)驗，Chris Monroe 表示，成為早期量子計算實驗領(lǐng)頭羊的機會，落在了他們手中。

科技巨頭們的量子計算研究進展

超導(dǎo)技術(shù)

在全世界，成百上千萬的政府研究資金正流入量子物理學(xué)中。隨著研究深入，其他形式的量子比特浮現(xiàn)出來。2010 年開始，囚禁離子技術(shù)遭遇了強大的挑戰(zhàn)者： 超導(dǎo)體制成的電流回路。其中，超導(dǎo)體是由接近絕對零度時、攜帶無電阻振蕩電流的金屬物質(zhì)組成。量子比特的 0 和 1 由不同的電流強度表示。該技術(shù)有許多吸引人的優(yōu)點：1. 電流回路可以被肉眼觀察到。 2. 使用簡單的微波儀器就能控制，不需要對操作要求苛刻的激光。3. 使用傳統(tǒng)計算機芯片制造技術(shù)就能生產(chǎn)。 4. 運轉(zhuǎn)速度非?？臁?/p>

但是，超導(dǎo)技術(shù)有一個致命缺陷：環(huán)境噪音。即使是控制設(shè)備的噪音，也能在遠遠不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。如今工程技術(shù)的優(yōu)化，已使電路的穩(wěn)定性提高了近百萬倍，所以量子疊加狀態(tài)可以維持數(shù)十微秒，但這仍遠遠不如離子。

D-Wave和量子退火

2007 年，加拿大初創(chuàng)公司 D-Wave Systems 宣布，他們使用 16 個超導(dǎo)量子比特成功制成量子計算機。這震驚了世界。但是 D-Wave 的機器并沒有使所有的量子比特發(fā)生糾纏，并且不能一個量子比特接著一個量子比特得編程（be programmed qubit by qubit），而是另辟蹊徑，使用了一項名為“量子退火”（quantum annealing）的技術(shù)。該技術(shù)下，每個量子比特只和臨近的量子比特糾纏并交互，這并沒有建立起一組并行計算，而是一個整體上的、單一的量子狀態(tài)。D-Wave 開發(fā)者希望把復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題映射到該狀態(tài)，然后使用量子效應(yīng)尋找最小值。對于優(yōu)化問題（比如提高空中交通效率的）來說，這是一項很有潛力的技術(shù)。

但批評者們立刻指出：D-Wave 并沒有攻克許多公認的量子計算難題，比如錯誤修正（error correction）。包括谷歌和洛克希德馬丁在內(nèi)的幾家公司，購買并測試了 D-Wave 的設(shè)備，他們初步的共識是，D-Wave 做到了一些能稱之為量子計算的東西，而且，在處理一些特定任務(wù)時，他們的設(shè)備確實比傳統(tǒng)計算機要快。不論這到底算不算量子計算，D-Wave 把私營企業(yè)們震醒了。Chris Monroe 說：“D-Wave 確實打開了人們的眼界。他們讓大家意識到，量子計算機是有市場的，并且有強烈的需求?！?幾年內(nèi)，各個公司紛紛投入到與他們專業(yè)知識相關(guān)的各個量子計算領(lǐng)域中去。

英特爾和硅量子點

對量子計算最大的賭注恐怕來自英特爾：2015 年，它宣布將向荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子技術(shù)研究項目 QuTech 投資 5000 萬美元。英特爾專注于硅量子點技術(shù)（silicon quantum dots），它經(jīng)常被稱作“人造原子”.一個量子點量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態(tài)可以用 0 或 1 來表示。不同于離子或原子，量子點不需要激光來困住它。

早期的電子點用幾近完美的砷化鎵晶體制作，但研究人員們更傾向于硅，希望能利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大產(chǎn)能。QuTech 技術(shù)負責(zé)人 Leo Kouwenhoven 說：“我認為英特爾屬意于硅，畢竟那是他們最擅長的材料。” 但是基于硅的量子比特研究，大大落后于囚禁離子和超導(dǎo)量子技術(shù)。去年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的一只研究團隊才完成兩個量子比特的邏輯門。

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