量子計算機大梳理：憑什麼超越傳統計算機？

量子計算機大梳理

作為一個熱門概念，我們經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究竟走到了哪一步？到底有多少種實作量子計算的方式？本文将對這兩個問題進行全面梳理，介紹如今各技術流派的發展，以及各科技巨頭的研究情況。

堅持囚禁離子技術的量子計算公司

美國量子計算機初創企業ionQ有三位核心成員：馬裡蘭大學實體學家Chris Monroe，杜克大學電氣工程師Jungsang Kim,以及原本供職于美國情報部門IARPA（“進階研究計劃署”）的David Moehring。其中，前兩位是公司創始人，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，這三位還在馬裡蘭大學讨論量子計算的前景，包括為什麼利用囚禁離子能制造出理想的量子計算機––它有完美的再現性（reproductivity），長生命周期，不錯的雷射可控性。這三人有一個共同觀點：量子計算的黃金時代即将到來。它将利用量子力學，為電腦運算帶來指數級得巨幅加速。持同樣觀點的不僅僅有他們。科技巨頭英特爾、微軟、IBM，谷歌都在向量子計算投入千萬美元的研發資金。但是，他們在對不同的量子計算技術下賭注–––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。

被看做是量子計算領域領頭羊的谷歌，已經做出了選擇：極小的超導電路。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。這是一個極為關鍵的門檻。學者預計，在50量子比特左右，量子計算機就能達到“量子霸權”（quantum supremacy）。這是加州理工學院實體學家John Preskill發明的名詞，用來訓示“量子計算機在一些領域有傳統計算機所不具有的能力”，比如在化學和材料學裡模拟分子結構，還有處理密碼學、機器學習的一些問題。

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，遊戲也不會結束。”IonQ堅持使用囚禁離子，它是世界上第一個量子邏輯門背後的技術。那是一個1995年完成的項目，Chris Monroe是參與者之一。

使用精确調整的雷射脈沖，Monroe能把離子打入持續數秒的量子态,這遠超谷歌的量子比特。Jungsang Kim開發了一個把不同離子群連接配接到一起的子產品化方案。如該方法奏效，ionQ就能快速擴大量子比特的規模。但直到現在，他們隻成功地把五個量子比特加入到可程式設計裝置中。Chris Monroe承認，現在很多人把囚禁離子看作是“害群之馬”，但他堅信，将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從科學家們的一個遙遠的夢想，變成了科技巨頭們想要立刻實作的目标。ionQ就是這浪潮中想要分一杯羹的參與者。雖然超導量子比特技術現在是行業領頭羊，專家們認為，現在宣布超導量子比特的勝利，還為時過早。量子資訊學非正式院長Preskill說：“不同的量子技術在同時發展，這是一件好事。因為很可能會有驚喜發現，然後帶來量子計算領域的革新。”

量子計算機憑什麼超越傳統計算機？

量子比特相比傳統計算機比特更強大，是由于兩個獨特的量子現象：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态，創造出超疊加效應：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量，比宇宙中的原子還要多。

這種超大規模的并行計算，對于處理日常任務其實沒什麼用。沒有人認為量子計算機會颠覆文字處理和email。但對于需要同時探索無數條路徑的算法，還有對海量資料庫的搜尋，量子計算能極大地提高速度。它能被用來尋找新的化學催化劑，對加密資料的海量數字作因子分解（factoring），或許還能模拟黑洞和其他實體現象。

但有一個主要的陷阱––量子疊加和糾纏狀态極度得脆弱，能被環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，與耶魯大學實體學家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，直到1995年才有了第一次實驗。貝爾實驗室的數學家Peter Shor，向人們展示量子計算機可以對大量數字快速因子分解––若能實作，這會使現代密碼學的大部分發明過時。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定狀态在理論上是可能的。

頓時，實體學家和他們的資助者相信，量子計算機未必會出現一大堆運算錯誤，他們有了充足的理由去嘗試造一台量子計算機。那時，諾貝爾實體學獎獲獎者，在NIST（美國國家标準與技術研究院）工作的David Wineland已經開始了對使用雷射冷卻離子、并控制他們内在量子态的研究。

ionQ的創始人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邏輯門，使用雷射控制铍離子的電子态。有着和Wineland研究離子的經驗，Chris Monroe表示，成為早期量子計算實驗領頭羊的機會，落在了他們手中。

科技巨頭們的量子計算研究進展

超導技術

在全世界，成百上千萬的政府研究資金正流入量子實體學中。随着研究深入，其他形式的量子比特浮現出來。2010年開始，囚禁離子技術遭遇了強大的挑戰者：超導體制成的電流回路。其中，超導體是由接近絕對零度時、攜帶無電阻振蕩電流的金屬物質組成。量子比特的0和1由不同的電流強度表示。

該技術有許多吸引人的優點：

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雷射。

3.使用傳統計算機晶片制造技術就能生産。

4.運轉速度非常快。

但是，超導技術有一個緻命缺陷：環境噪音。即使是控制裝置的噪音，也能在遠遠不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。如今工程技術的優化，已使電路的穩定性提高了近百萬倍，是以量子疊加狀态可以維持數十微秒，但這仍遠遠不如離子。

D-Wave和量子退火

2007年，加拿大初創公司D-Wave Systems宣布，他們使用16個超導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生糾纏，并且不能一個量子比特接着一個量子比特得程式設計（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。

該技術下，每個量子比特隻和臨近的量子比特糾纏并互動，這并沒有建立起一組并行計算，而是一個整體上的、單一的量子狀态。D-Wave開發者希望把複雜的數學問題映射到該狀态，然後使用量子效應尋找最小值。對于優化問題（比如提高空中交通效率的）來說，這是一項很有潛力的技術。

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内的幾家公司，購買并測試了D-Wave的裝置，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時，他們的裝置确實比傳統計算機要快。

不論這到底算不算量子計算，D-Wave把私營企業們震醒了。Chris Monroe說：“D-Wave确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。”幾年内，各個公司紛紛投入到與他們專業知識相關的各個量子計算領域中去。

英特爾和矽量子點

對量子計算最大的賭注恐怕來自英特爾：2015年，它宣布将向荷蘭代爾夫特理工大學的量子技術研究項目QuTech投資5000萬美元。英特爾專注于矽量子點技術（silicon quantum dots），它經常被稱作“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，它身上電子的量子态可以用0或1來表示。不同于離子或原子，量子點不需要雷射來困住它。

早期的電子點用幾近完美的砷化镓晶體制作，但研究人員們更傾向于矽，希望能利用半導體産業的巨大産能。QuTech技術負責人Leo Kouwenhoven說：“我認為英特爾屬意于矽，畢竟那是他們最擅長的材料。”但是基于矽的量子比特研究，大大落後于囚禁離子和超導量子技術。去年，澳洲新南威爾士大學的一隻研究團隊才完成兩個量子比特的邏輯門。

微軟和拓撲量子

而微軟的選擇甚至更遙遠：基于非阿貝爾任意子（nonabelian anyons）的拓撲量子比特（topological qubits）。這些根本就不是物體，他們是沿着不同物質邊緣遊動的準粒子（quasiparticles）。他們的量子态由不同交叉路線（braiding Paths）來表現。因為交叉路線的形狀導緻了量子疊加，他們會受到拓撲保護（topologically protected）而不至于崩潰，這類似于打結的鞋帶不會散開。

這意味着，理論上拓撲量子計算機不需要在錯誤修正上花費那麼多量子比特。早在2005年，微軟帶領的一支研究團隊，就提出了一種在半導體-超導體混合結構中建造拓撲保護量子比特的方法。微軟已經投資了數個團隊進行嘗試。他們近期的論文，還有貝爾實驗室的一項獨立研究都展示了，關鍵的任意子以電路中電流的模式進行移動的”征兆“。這些科學家已經很接近展示真正的量子比特了。Preskill說：“我認為在一兩年内，我們就可以看到結果––拓撲量子比特确實存在。”

谷歌的超導量子研究

谷歌這邊，他們雇傭了加州大學聖芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）的超導量子比特專家John Martinis。他研究過D-Wave的運作方式和缺陷。在2014年，谷歌把整個加州大學聖芭芭拉分校研究團隊的全部十幾個人，都給招募了。這之後，John Martinis團隊宣布，他們已經建成了9量子比特的機器，是目前世界上可程式設計的量子計算機中最大的之一，而且他們正在嘗試擴大規模。為了避免大堆纏繞的電線，他們正在2D平面結構上重建該系統。系統會鋪設在一塊晶圓上，所有控制電路都蝕刻在上面。

John Martinis團隊如今已有30名科學家和工程師。七月，他們用了三個超導量子比特來模拟氫分子的基态（ground state）能量，這展示了在模拟簡單的量子系統上，量子計算機可以做到和傳統計算機一樣好。Martinis表示，這個結果預示了擁有”量子霸權“的計算裝置的力量。他還認為，谷歌一年造出49量子比特計算機的計劃很趕時間，但或許有可能實作。

ionQ和囚禁離子

與此同時，ionQ的Chris Monroe正在試圖克服囚禁離子帶來的各項挑戰。作為量子比特，它們可以在幾秒鐘内維持穩态，這還多虧了真空裝置和在環境噪音影響下仍能将其穩定的電極。但是，這些隔離措施意味着，量子比特之間的互動變得更難。Monroe最近把22個镱離子糾纏成一條線形鍊（linear chain），但至今，他還未能控制或查詢所有的離子對，而這是量子計算機必須做到的。

控制組合體的難度，會随離子數目的增加指數級得升高。是以，加入更多離子是做不到的。Monroe認為，解決辦法在于使用模組化的設計，用光導纖維把囚禁離子群連接配接起來，每個囚禁離子群約有20個離子。若用該方案，每個模組中的某特定量子比特都會成為該離子群的中心，從群中其他量子比特那接受資訊，并與其他模組分享。這樣，大多數離子會免于外部侵擾。

最近，Monroe逛了逛他在馬裡蘭大學的六個實驗室。在三個較老的實驗室裡，電線和真空管路一團團的垂下來。在一張特大桌子上，透鏡和鏡子亂成一堆，使用它們是為了改變雷射光束的形狀，并把光束反射入真空室裝置的小孔裡，那裡面就是實驗離子。頭頂上的HVAC裝置們（加熱裝置，通風裝置，空調）嗡嗡作響。

另外三個新實驗室就十分幹淨整潔，甚至空空蕩蕩顯得有些古怪。Rube Goldberg式的光學實驗桌被整合雷射裝置取而代之。Monroe說：”我們現在用的雷射裝置隻有一個雷射球，并且已經開啟。”他焦急得想把ionQ的實驗室趕快運作起來，讓高薪聘來的研究人員們正式成為ionQ的雇員，以盡快投入到工作中，把他們在馬裡蘭大學做的研究完善起來。多虧了和馬裡蘭大學不同尋常的協定，ionQ得到獨家、免費的專利授權。

下一年，他會把他的第一個sabbatical假期用來建立ionQ。他表示，私營企業對他們量子計算研究的資助，是他事業中最大的一筆錢。

量子計算展望

即便有巨額投資，量子計算在很長時間内，隻會是各公司實驗室裡的商業秘密。有些大的研究機構，甚至是那些科技巨頭的下屬部門，倒願意把研究成果在論文和會議上公布出來。他們認為發表最新進展是互利的。其中一個原因是，促使潛在客戶思考量子計算機的應用前景。Monroe解釋說:“我們都需要一個市場。”與其遮遮掩掩，不如一起把量子計算這塊蛋糕做大。

還有一個很重要的原因：沒有人對量子計算足夠了解，但每個團隊都選了一個量子比特類型做研究（沒有精力研究多個）。誰知道他們選擇的類型有沒有前途呢？每種方案都需要不斷地優化，擴大規模，最終才能應用于制造量子計算機。無論是制造基于超導體，還是矽的量子比特，都需要極高的連貫性和一緻性。對它們冷卻的冷凍裝置也需要改善。囚禁離子需要更快的邏輯門，更緊湊的雷射和光纖。拓撲量子比特仍需要被發明出來。簡而言之，要面對的挑戰太多，團隊之間需要一定程度的互相合作、資訊共享，才能加快進度。

未來的量子計算機很可能是一個混合體，由超快的超導體量子比特對算法進行運算，然後把結果扔給更穩定的離子存儲。與此同時，光子在機器的不同部件之間傳遞資訊，或者在量子網絡的節點之間。微軟研究員Krysta Svore說：“能夠想象，将來不同類型的量子比特會同時存在，并在不同任務中扮演不同的角色。”

量子計算機是那麼新奇古怪，甚至世界的頂級量子實體學家和計算機工程師都不清楚，商業化營運的量子計算機會是什麼樣兒。Svore認為，研究量子計算機應當在行動中摸索。實體學家們隻需要試着去造，現有的科技所能達到的最高深的計算機系統，然後面對這過程中出現的難題。這是一個“制造，學習，重複”的過程。他說：“我們特别喜歡設想，造出了第一台量子計算機之後，就用它設計第二台量子計算機。”

原文釋出時間為：2016.12.04

本文作者：王涪玖

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