量子計算機：從空想到現實

本年度的諾貝爾實體學獎由來自巴黎高等師範學院塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）教授以及美國國家标準與技術研究院的大衛·維因蘭德（David Wineland）教授共同分享，他們兩人的獲獎理由是分别發明了測量和控制孤立量子系統的實驗方法。

在諾貝爾獎委員會的新聞稿中，兩位獲獎者的成就被稱為“為實作量子計算機奠定了基礎。”一時間，量子計算機也成為了業界關注的焦點。

薛定谔的貓和諾貝爾獎

對于普通人來說，量子力學是個深不可測的概念。不過，随着最近幾年科幻題材電影電視劇的風靡，“平行宇宙”、“平行世界”之類的詞彙開始被頻頻提及，而它正是出自量子力學的相關概念。

想要了解什麼是量子計算機，那麼首先需要了解“薛定谔的貓”這個量子力學中的經典假設。

1935年，奧地利著名實體學家，同時也是量子力學創始人之一的薛定谔設想出這樣一個實驗：一隻貓被關進一個不透明的箱子裡，箱子内事先放置好一個毒氣罐，毒氣罐的開關由一個放射性原子核來控制。當原子核發生衰變時，它會釋放出一個粒子觸發毒氣罐的開關，這樣毒氣釋放，貓就會被毒死。

根據量子力學的理論，在實驗者沒有開箱進行觀測時，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀态，換言之，箱子裡的貓既是活的也是死的，對于普通人來說，很難了解“既生又死”這樣的狀态，但這正是量子力學研究的領域。量子力學針對的是在微觀環境下的實體現象，在這一環境中，大家中學時候學習的經典實體學中的規律會突然失效，微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什麼薛定谔的理想實驗中貓既能是活的也能是死的。

不過，一旦打開箱子，微觀實作就會出現“崩塌”，原子核的狀态就會确定下來，此時貓是生是死也随之揭曉答案。

長期以來，由于不能實際觀測，量子力學僅僅停留在理論之上，而缺乏實踐的驗證。然而，今年兩位諾貝爾獎得主的成就正是在這方面取得了突破。他們各自通過精妙的實驗，使“測量和操控量子系統成為可能”，讓不打開箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當然，更重要的是，它也使量子計算機的實作變得不再遙不可及。

不再是空想的量子計算機

所謂量子計算機是基于量子力學基本原理實作資訊處理的一項革命性計算技術。1982年，美國實體學家費曼在一次演講中提出利用量子體系實作通用計算的想法，當時他發現，分析模拟量子實體世界所需要的計算能力遠遠超過了經典計算機所能達到的能力，而用實驗室中一個可控的量子系統來模拟和計算另外一個人們感興趣的量子系統會非常高效，量子計算機的概念也應運而生。

量子計算機與經典計算機不同之處在于，對于經典計算機來說，其基本的資料機關就是一個比特，相對應的一個比特不是0就是1，而對于量子計算機來說，一個比特可以同時表示0和1，這就意味着兩個比特就能表示00、01、10、11四種狀态。這樣，隻要有300個量子比特，其承載的資料就能是2的300次方，這将超過整個宇宙的原子數量總和。簡而言之，量子計算機的運算能力将是目前經典計算機所無法比拟的。

前面的表述未免抽象，舉一個形象的例子：目前最好的多核處理器能夠解密150位的密碼，如果想要解密一個1000位的密碼，那麼需要調用目前全球的計算資源才有可能實作。但是從理論上講，一台量子計算機在幾個小時内就能解決這一問題。在量子計算機面前，目前世界上最複雜的密碼也會變得不堪一擊，這意味着網際網路上将不再有秘密可言，人類需要重新設立一套與現在完全不同的資訊加密系統。

量子計算機的用處當然不隻是破譯密碼，在大資料分析的時代，對計算機運算能力的要求正變得愈來愈高，從語義識别到人工智能，都需要倚仗計算機強大的運算能力才能完成，這也讓業界對于量子計算機的誕生充滿了期待。

不過，雖然理論上300個量子比特就能賦予計算機難以想象的運算能力，但現實與想象畢竟還存在不小的差距。根據清華大學交叉資訊研究院助理研究員尹章琦的介紹，估算大概需要至少一萬個量子比特才能超越經典計算機的計算能力，“因為我們需要對計算過程進行糾錯，是以需要很多個實體比特才能獲得一個可容錯的邏輯比特。估計需要大概一千個邏輯比特運作Shor算法來超越經典計算機的計算能力，那麼實體比特至少要高一個量級，甚至可能要高兩個量級”。尹章琦所從事的正是關于量子資訊與量子光學的理論與實驗研究。

商業化的未來

在學界還在探讨量子計算機可行性的時候，産業界已經迫不及待開始了實踐。早在2001年，IBM就曾經成功實作利用7個量子比特完成量子計算中的素因子分解法。

2007年，加拿大的D-Wave公司就釋出了号稱全球第一台商用量子計算機——采用16位量子比特處理器的Orion（獵戶座）。不過，Orion釋出後迅速被業界潑了一盆冷水，業内人士稱，Orion并不是真正意義上的量子計算機，隻是具備了一些量子計算的特性。

去年，D-Wave卷土出來，釋出了全新的産品——D-Wave One，這一次它的處理器達到了128量子比特，比前代産品大大提升，一台售價高達1000萬美元。但是，由于D-Wave對核心技術三緘其口，學術界無法得知關于其産品的更多資訊，質疑之聲再起，因為目前能夠實作10量子比特已經是相當了不起的成就。

不過，即便質疑不斷，D-Wave還是成功拿到了第一張訂單，外國媒體報道，美國知名的軍備制造商洛克希德·馬丁已經購買了D-Wave的産品并且将其用在一些複雜的項目上，比如F-35戰鬥機軟體錯誤的自動檢測。

不僅如此，D-Wave還在今年10月得到了來自貝索斯以及美國中情局下屬投資機構In-Q-Tel總計3000萬美元的投資。貝索斯的投資邏輯顯而易見，随着現實世界的不斷網際網路化，他的野心自然是通過深度挖掘和分析亞馬遜積累的海量資料創造出更大的商業價值，而量子計算機正是實作這一切的基礎。

在D-Wave大出風頭的同時，老牌巨頭IBM也不甘落後，今年2月，IBM宣布在量子計算領域再次取得重大進展。新的技術使得科學家可以在初步計算中減少資料錯誤率，同時在量子比特中保持量子機械屬性的完整性。

IBM TJ沃森研究中心的實體資訊主管Mark Ketchen表示，IBM目前已具備在一段足夠長的時間内保持栅電極狀态的能力，“一旦資料差錯降低到足夠小，我們就能把許多栅電極組合在一起，進而得到一個完美的量子位，這表明我們已經拿到了入場券，并可以開始真正制造一些東西了。”

當然，量子計算機要想真正實作還有很長的路要走。“量子計算機的第二步是進一步提高量子比特數目到10這個量級，第三步就是到100乃至1000這個量級。第四步是實作可容錯的量子計算，最終就可以實作一個超越經典計算機的量子計算機。”尹章琦說，“目前我們剛剛走到第二步。”不過，随着像IBM這樣老牌巨頭的發力，以及貝索斯這樣投資人的介入，量子計算機的真正實作或許離我們已經并不遙遠。

原文釋出時間為：2013-01-04

本文作者：楊钊

本文來源：

钛媒體

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