2017轉(zhuǎn)折之年：量子計算機將從實驗室走進現(xiàn)實

]學(xué)術(shù)頂刊 Nature 刊文，以《2017年將是量子計算機從實驗室走進現(xiàn)實》為題，梳理過去一年量子計算機相關(guān)進展，并預(yù)計2017年該領(lǐng)域值得期待的突破。

量子計算長期以來都被認(rèn)為是20年以后才會實現(xiàn)的技術(shù)。但是，2017可能是這領(lǐng)域改變其“僅限于研究”的印象的一年。

計算領(lǐng)域的巨頭谷歌和微軟最近聘請了大量的重要人物，并且為剛開始2017年設(shè)置了一些具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。他們的野心反映了一個廣泛的現(xiàn)象：量子計算正在從純粹的科學(xué)轉(zhuǎn)變到工程建造。初創(chuàng)企業(yè)和學(xué)術(shù)研究實驗室中也遇到了類似的情況。

“人們是真的在建設(shè)一些東西”,馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家Christopher Monroe說，“我從來沒見到過這樣的現(xiàn)象，它（量子計算）已經(jīng)不僅僅是科學(xué)研究了?！盋hristopher 同時是初創(chuàng)企業(yè)IonQ的聯(lián)合創(chuàng)始人，這家企業(yè)創(chuàng)建于2015年。

谷歌距離通用的量子計算機又前進了一步

谷歌在2014年開始研究基于超導(dǎo)超導(dǎo)的量子計算機。谷歌希望在今年，或者稍晚一些的時候，能夠超越最強大的“傳統(tǒng)”計算機所能做到的計算能力，這一里程碑式的成就被命名為量子霸業(yè)。谷歌的競爭對手--微軟，把賭注壓在了一個非常吸引人但是還未經(jīng)驗證的概念--拓?fù)淞孔佑嬎闵希⑾Ｍ蔀槭讉€展示這一技術(shù)的公司。

量子計算初創(chuàng)企業(yè)也是一片火熱的景象。 Monroe計劃在2017年年初啟動招聘。耶魯大學(xué)的物理學(xué)家、初創(chuàng)企業(yè)Quantum Circuits 的聯(lián)合創(chuàng)始人Robert Schoelkopf 以及IBM 應(yīng)用物理學(xué)家、Rigetti 創(chuàng)始人 Chad Rigetti 說，他們很快會實現(xiàn)關(guān)鍵的技術(shù)里程碑突破。

學(xué)術(shù)實驗室也處在類似的拐點。“我們已經(jīng)對所需要的所有的組件和所有功能進行了演示”,Schoelkopf說。他現(xiàn)在還在耶魯領(lǐng)導(dǎo)一個小組，開發(fā)量子計算機。雖然要讓所有的組件共同工作，還需要進行一系列的物理實驗，但是，現(xiàn)在最主要的挑戰(zhàn)是在工程上。Schoelkopf 和其他的科學(xué)家都表達了相同的觀點。目前最大量子位（20）的量子計算機，已經(jīng)開始在學(xué)術(shù)機構(gòu)的實驗室中進行測試。比如，位于奧地利的因斯布魯克大學(xué)中，由Rainer Blatt所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就在做這件事。

深入微軟拓?fù)淞孔佑嬎銠C

2016 年 10 月，微軟研究院量子結(jié)構(gòu)和計算組成員、數(shù)學(xué)家和計算機科學(xué)家 Alex Bocharov 向 Nature 介紹了微軟“拓?fù)淞孔佑嬎銠C”相關(guān)的研究及進展。

傳統(tǒng)的量子計算機把信息轉(zhuǎn)化成量子位進行編碼，有兩種狀態(tài)：0或1.但是，組成量子計算機的“量子位”也可能會處于疊加（superpositions）的狀態(tài)，也就是同時處于1 或者同時處于0.

這種疊加，加上量子位分享量子狀態(tài)的能力，也就是通常所說的糾纏（Entanglement），能夠讓計算機立刻執(zhí)行任何形式的計算。并且，計算的數(shù)字，從理論上說，是每一個增加的量子位的兩倍，這會帶來指數(shù)級的計算速度增長。

這種速度能讓量子計算機執(zhí)行任何具體的任務(wù)，比如在大型的數(shù)據(jù)庫中進行搜索，或者對大型數(shù)字進行量子分解，這些在傳統(tǒng)的速度較慢的計算機中可能是無法實現(xiàn)的。量子計算機也可以轉(zhuǎn)變成一個研究工具，演示量子模擬，讓化學(xué)家能夠使用此前沒有預(yù)料到的細(xì)節(jié)來理解反映，或者能讓物理學(xué)設(shè)計出能夠在室溫下實現(xiàn)超導(dǎo)的材料。

“我跟學(xué)生說，2017年將會成為轉(zhuǎn)折之年”.

關(guān)于如何建造量子位，現(xiàn)在有許多非常有說服力的建議。但是現(xiàn)在有兩個主要的方法逐漸脫穎而出，這要歸功于他們儲存信息的能力和不斷增長的持續(xù)時間，雖然它們的量子狀態(tài)還是很容易受到外部條件的干擾，并且在量子邏輯門操作上還有困難。

其中一個方法是Schoelkopf 參與提倡的，得到谷歌、IBM、Rigetti和Quantum Circuits 的采用，包括在超導(dǎo)循壞中，把量子狀態(tài)當(dāng)成震蕩波流進行編碼。另一個方法是IonQ和一些主要的學(xué)術(shù)實驗室在追求的，即，把量子位編碼為單一的離子，離子處于真空聚集槽的電磁場中。

加利福尼亞大學(xué)的John Martinis 在2014年帶領(lǐng)團隊一起加入谷歌，他說，超導(dǎo)技術(shù)的成熟讓他的團隊可以對量子霸業(yè)設(shè)置一個大膽的目標(biāo)。

John Martinis的團隊計劃使用一個“混亂的”（chaotic）量子算法來實現(xiàn)這一目標(biāo)，這一算法的產(chǎn)出看起來像一個隨機的輸出。如果他們的算法在一個由相對較少的量子位組成的量子計算機上運行，一個傳統(tǒng)的機器能預(yù)測最后的輸出，但是，一旦量子機器的量子位接近50,即使是大的傳統(tǒng)超級計算機也會難以保持速度，John Martinis的團隊預(yù)測。

量子計算機首次實現(xiàn)高能物理計算模擬

2016 年 6 月，Nature 刊發(fā)的一篇論文，描述了奧地利因斯布魯克大學(xué)的實驗物理學(xué)家 Esteban Martinez 和他的同事通過模擬一項高能物理實驗，證明了量子計算概念的可行性。具體說，這項物理實驗將能量轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，生成了一個粒子（電子）和它的反粒子（正電子）。

實驗中，研究人員使用的原型量子計算機在真空環(huán)境下，把 4 個離子束縛在電磁場中排成一排，每個離子都編碼了一個量子位。4 個離子中的每一個都代表著一個位置，分別對應(yīng)著兩個粒子和兩個反粒子，離子的自旋方向表示對應(yīng)的粒子或反粒子是否有在相應(yīng)位置出現(xiàn)。研究人員利用激光束操控這些離子的自旋，由此 4 個量子位就組成了一個簡單的原型量子計算機。

這一計算的結(jié)果沒什么用，但是他們的嘗試說明了，現(xiàn)在有一些任務(wù)是量子計算機無法攻克的。這是一個重要的心理暗示，會吸引更多的潛在消費者的注意力。Martinis說?！拔蚁?，這會是一個對未來有重要意義的實驗?！?/p>

但是，Schoelkopf 并沒有把量子霸業(yè)看成是一個“非常有趣或者有用的目標(biāo)”,其中部分原因是由于它避開了糾錯的挑戰(zhàn)，也就是系統(tǒng)在外部環(huán)境對量子位輕微的擾動后，恢復(fù)其信息流動方向的能力，隨著量子位數(shù)量的增加，這會變得越來越難。反之，Quantum Circuits 聚焦于從一開始就打造能糾錯的機器。這要求在更多的量子位基礎(chǔ)上進行開發(fā)，機器也能夠運行更加復(fù)雜的算法。

Monroe 希望能盡快實現(xiàn)量子霸業(yè)，但這并不是IonQ的主要目標(biāo)。這家初創(chuàng)企業(yè)的目標(biāo)是建造擁有32或者64個量子位的計算機，相對超導(dǎo)電流的技術(shù)，其離子井的技術(shù)也會讓其設(shè)計變得更加靈活，更加可擴展。他說。

同時，微軟的拓?fù)淞孔佑嬎阋蕾囉谖镔|(zhì)間的刺激。通過量子位之間像辮子一般的糾纏進行信息的編碼。儲存在這些量子位中的信息對外部的干擾會有更強的抵抗力，同時也能讓糾錯變得更容易。

沒有人能夠創(chuàng)造出這種刺激所需的物質(zhì)狀態(tài)，更不用說拓?fù)淞孔颖忍亍５俏④浺呀?jīng)雇用到該領(lǐng)域雇用了四位領(lǐng)軍人物，包括蘭代爾夫特大學(xué)的 Leo Kouwenhoven,他創(chuàng)造出似乎是正確的刺激類型。Kouwenhoven 說：“我跟我的學(xué)生說，2017 年是轉(zhuǎn)折之年。”他將在代爾夫特校區(qū)建一個微軟實驗室。

其他的研究者卻更加謹(jǐn)慎?！皩τ谖磥?，我不會在媒體上做什么預(yù)測，”美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局的Blatt. David Wineland說。他領(lǐng)導(dǎo)了一個研究離子井的團隊。他拒絕做任何預(yù)測，他說：“我對長期的發(fā)展非常樂觀，但是長期指多長，我不知道?！?/p>

谷歌通用量子計算機進展：在量子化學(xué)領(lǐng)域取得實質(zhì)突破

2016 年6 月，位于加州圣芭芭拉的谷歌研究實驗室、加州大學(xué)圣芭芭拉分校和西班牙巴斯克大學(xué)的研究人員在《自然》雜志上介紹了他們合作研發(fā)的量子計算機原型。

谷歌的原型產(chǎn)品結(jié)合了兩種量子計算技術(shù)。其中一種技術(shù)使用針對特定問題、有著特殊排列的量子位去設(shè)計計算機數(shù)字電路，這類似于傳統(tǒng)微處理器中的訂制數(shù)字電路。

在研究中，谷歌的團隊采用了 9 個固態(tài)量子位。這些量子位由十字形的鋁制薄膜制成，寬度約為400微米。隨后，這些量子位被固定在藍寶石表面上。研究人員將這些鋁制薄膜的溫度降低至0.02開爾文（約 -273℃），使金屬成為超導(dǎo)體，電阻完全消失。利用這些超導(dǎo)態(tài)的量子位，研究人員可以向其中編碼信息。

相鄰量子位的互動由“邏輯門”控制。邏輯門利用數(shù)字方式去操控量子位，使其進入某種狀態(tài)，從而得出問題的解。在演示中，研究人員對量子位進行排列，使其模擬有著一定自旋態(tài)的磁性原子陣列。這樣的問題已經(jīng)在凝聚態(tài)物理中得到了充分研究。研究人員隨后可以通過量子位去確定總勢能最低的原子自旋態(tài)組合。

谷歌的設(shè)備目前基本上停留在原型產(chǎn)品階段，但研究人員表示：憑借誤差修正，其技術(shù)可以成為通用算法，拓展至任意的大型量子計算機；在未來幾年中，超過40個量子位的設(shè)備將成為現(xiàn)實。

緊接著，在 2016 年 7 月，谷歌量子軟件工程師 Ryan Babbush 在 Google Research 發(fā)表博文，介紹了谷歌量子計算研究的最新進展--谷歌與哈佛大學(xué)的 Aspuru-Guzik 團隊以及來自勞倫斯伯克利國家實驗室、加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校、塔夫茨大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院眾多研究機構(gòu)的研究人員合作，進行了首個完全可擴展的分子量子變相模擬（計算）。

在這個實驗里，研究人員采用了“可變量子本征求解（variational quantum eigensolver,VQE）這一方法，該方法可以理解為是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的量子模擬。經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一張參數(shù)圖，這是為了建立傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型；而 VQE 這張參數(shù)圖（例如量子線路），是為了建立量子數(shù)據(jù)模型（例如分子波函數(shù)）。

通過使用 VQE,研究人員對氫氣分子H2 的能量全景圖（energy landscape）進行了量子計算。他們將 VQE 的表現(xiàn)與另一種用于傳統(tǒng)化學(xué)量子算法--相位估值算法（PEA）進行比較。使用 VQE 實驗計算出的能量值表示為 H - H 鍵長度的函數(shù)，如下圖所示。

可以看出，在實驗中 VQE 能取得這么高的表現(xiàn)，是因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練回路（training loop） 幫助建立實驗最佳線路參數(shù)，表示存在系統(tǒng)控制誤差的情況下的波函數(shù)。

這可以理解為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn)有一個權(quán)重錯誤，例如，顯示的權(quán)重只有實際權(quán)重的一半。因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重是通過一個閉環(huán)的訓(xùn)練程序確定的，可以彌補系統(tǒng)誤差，該硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠承受這樣的瑕疵。因此，可以期待 VQE 在不用進行量子糾錯的情況下解決經(jīng)典的棘手問題。

量子理論的出現(xiàn)使定性或描述性的化學(xué)模擬向定量或預(yù)測性化學(xué)模擬轉(zhuǎn)變。即使面臨許多理論和實驗上的挑戰(zhàn)，量子理論仍然給這個領(lǐng)域帶來巨大的變革，今后的應(yīng)用還會有更多更多。

全球首臺可編程的量子計算機

2016年 8 月 4日出版的《自然》封面論文，介紹了美國馬里蘭大學(xué)量子信息和計算機科學(xué)聯(lián)合研究所（JQI）的一款可編程小型量子計算機。這也是首個可編程、可以在軟件調(diào)整設(shè)置的量子計算機。

計算體系結(jié)構(gòu)：a. 軟件到硬件操作層級；b. 硬件配置。

這項研究是建立在幾十年來捕捉并控制離子的工作基礎(chǔ)上。研究人員采用標(biāo)準(zhǔn)的方法移動離子，但又引入了全新的控制和衡量方式，包括使用激光移動離子，以及專門開設(shè)了檢測通道，檢測離子的光學(xué)性質(zhì)。

研究人員測試了量子計算機最常用于解決的 3 種問題。論文第一作者、JQI 博士生 Shantanu Debnath 表示，這臺”原型機“能夠靈活適用于解決多種不同的任務(wù)，而這一突破非常關(guān)鍵。

Debnath 表示，通過直接將任何一對量子比特連接起來，研究人員可以讓量子計算機執(zhí)行不同的算法。雖然目前只有 5 個量子比特，但 Debnath 認(rèn)為他們已經(jīng)具備知識，可以將原型機擴展。

量子化學(xué)是量子計算能夠提供大幅度加速的一個有前途的領(lǐng)域。由于簡化了預(yù)編程過程，該研究在技術(shù)上有不錯的進步，能夠更快計算出很多復(fù)雜的量子化學(xué)問題。

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