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量子计算机就要来了,它真的能改变世界吗

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(原标题:Serious quantum computers are finally here. What are we going to do with them?)

在位于纽约市以北约50英里处僻静乡村中的一个小型实验室内,天花板下缠绕着错综复杂的管线和电子设备。这一堆看似杂乱无章的设备是一台计算机。它与世界上的任何一台计算机都有所不同,而是一个即将开创历史的里程碑式设备。

量子计算机的理论运行速度远远超出任何传统的超级计算机。这种计算机或将使得人们在原子层面对物质状态进行模拟成为可能,从而可以重塑新材料技术;它们也可以通过无穷的算例破解现有的任何加密算法,重新定义网络安全;它们甚至能够通过对海量数据的有效地处理来增强人工智能的水平。

然而到现在,经过几十年的逐步发展,研究人员终于离打造出真正的量子计算机无限接近了,其强大的功能足以打败任何传统意义上的计算机,这就是具有里程碑意义的“量子霸权”(quantum supremacy)。目前来看,谷歌在该领域一直处于领导地位,而诸如英特尔和微软等公司也都在努力前进,而包括Rigetti Computing,IonQ和Quantum Circuits等有雄厚资金支持的创业公司也在迎头赶上。

但是在量子计算领域,没有谁能够和IBM相匹敌没。早在50年前,IBM在材料科学方面取得了成绩就奠定了计算机革命的基础。这就是我为什么会在去年10月来到IBM的托马斯·J·沃森(Thomas J. Watson)研究中心去尝试寻找这些问题的答案:量子计算机到底有什么好处?我们是否可以打造一款实用的,可靠的量子计算机?

为什么说我们需要量子计算机

托马斯·J·沃森(Thomas J. Watson)研究中心位于美国的约克敦海茨(York-town Heights),整个建筑的外观看起来有点像上世纪60年代的飞碟想象图。这座建筑由新未来主义建筑师小沙里宁(Eero Saarinen)设计,并在IBM大型机业务的鼎盛时期建造。当时IBM是世界上最大的电脑公司,在研究中心落成的十年内,它已成为全球第五大公司,仅位于福特和通用电气之后。

虽然站在建筑物的走廊里可以看到乡村景色,但所有办公室都没有窗户。我在其中的一间密室里见到了这是在我遇见查尔斯·贝内特(Charles Bennett)的其中一间卧室里。现年70多岁的贝内特两鬓斑白,身处旧电脑显示器和各种化学模型的包围之中。他回想起量子计算就像是刚刚发生在昨天一样。

图示:IBM研究中心的查尔斯·贝内特(Charles Bennett)是量子信息理论的创始人之一,其在IBM的工作为量子计算机创造了理论基础

当贝内特于1972年加入IBM时,量子物理学的发展已经有半个世纪的历史,但整个计算科学仍然依赖于经典物理学和克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Elwood Shannon )于20世纪50年代在麻省理工学院开发的信息数学理论。香农根据存储数据所需的“比特”数量(这是一个他普及但没有确定的术语)来定义信息量。这些比特,也就是二进制码的0和1是所有常规计算科学的基础。

在抵达约克敦海茨一年后,贝内特帮助奠定了量子信息理论的基础,这将会挑战传统计算科学。它以原子尺度上物体的特殊性质为基础。在这个微观尺度下,粒子可以一次显现出许多种状态(例如,许多不同的位置),也就是“叠加”态。两个粒子也可能表现出“量子纠缠”,因此改变一个粒子的状态可能会瞬间影响到另一个粒子。

贝内特和其他人意识到,在量子现象的帮助下,可以有效地执行几种耗时甚至不可能的计算。量子计算机会将信息存储在所谓的量子比特,也就是量子位中。量子比特可以以1和0叠加的形式存在,并且可以使用量子纠缠和量子干涉来找到指数级大数据计算的解决方案。但是目前还难以比较量子计算机相比于经典计算机到底有多大的计算优势,但粗略地说,只有几百个量子比特的量子计算机能够同时执行的计算量要比已知宇宙中的原子数量更多。

1981年夏,IBM和麻省理工学院组织了一次名为计算物理第一次会议(First Conference on the Physics of Computation)的里程碑式活动。会议在距离麻省理工学院校园不远的法国风格大厦Endicott House召开。

从贝内特与会期间的一张照片中可以看出,计算科学和量子物理史上最有影响力的几位大人物悉数出席了此次会议。其中包括开发第一台可编程计算机的康拉德·楚泽(Konrad Zuse)以及量子理论的主要贡献者理查德·菲利普斯·费曼(Richard Phillips Feynman)。费曼在会上发表了主题演讲,其中提到了使用量子效应进行计算的想法。 “对量子信息理论的发展帮助最大的就是费曼,”贝内特告诉我,“他说,’自然是量子的,该死的!所以如果我们想模拟它,我们需要一台量子计算机。’”

IBM的量子计算机,也是现存最有前途的计算机,就位于贝内特办公室下面的的大厅里。该机器被用于创建和操纵量子计算机中的基本元素:存储信息的量子比特 。

梦想与现实之间的差距

IBM的量子计算机利用了超导材料中发生的量子现象。例如,有时超导材料中的电子会同时进行顺时针和逆时针的移动,这就是量子现象。 IBM的量子计算机使用了超导电路,其中两个不同的电磁能量状态组成量子比特。

超导方法具有关键优势。其中的硬件可以使用现有的完善制造方法制造出来,并且能够通过传统的计算机来控制整个系统。超导电路中的量子比特比单个光子或离子更容易操作,也没有那么敏感。

图示:IBM将量子计算机连接至云端

在IBM的量子实验室里,工程师们正在研究一个具有50个量子位的计算机。你可以在一台普通的计算机上运行简单的量子计算机模拟系统,但是不可能模拟多达50个量子比特。这意味着IBM理论上正在接近量子计算机可以解决传统计算机无法解决的问题奇点:换句话说,也就是量子霸权。

但正如IBM的研究人员告诉你的,量子霸权是一个难以捉摸的概念。你需要50个量子比特全部正常运行才能够起作用,而实际上量子计算机却被需要纠正的错误所困扰。在任何时间长度内维持量子比特得状态都非常困难;他们倾向于“退货”,或者失去其微妙的量子特性,就像烟圈会在最轻微的气流中散开一样。而量子比特位越多就越发困难。

“如果你有50或100个量子比特可以正常运行,又能够实现完全纠错,那么你就可以进行前所未有的计算,任何传统计算机都无法复制的计算,”耶鲁大学教授、Quantum Circuits公司的创始人罗伯特舍尔科普夫(Robert Schoelkopf)表示,“量子计算的另一个问题在于,它出错的方式简直是指数级的。”

另一个值得注意的问题是,即使是堪称完美的量子计算机作用也并不明显。它并不会简单地加快任务处理速度;事实上,对于许多计算来说,量子计算机的执行速度比传统机器还要慢。迄今为止,只有少数特别设计的算法在量子计算机中具有显著优势。即使对于这些算法来讲,优势也往往是短暂的。最著名的量子算法是由彼得舒尔(Peter Shor)在麻省理工学院开发的关于计算蒸熟质因数分解问题的算法。许多常见的密码方案都依赖于传统计算机难以实现的现实。但是密码学可以进行自适应调整,创造出不依赖于因数分解的新型加密代码。

图示:IBM量子计算机中的芯片所处环境被降至15开尔文

即便已经接近50个量子比特的历史临界点,但IBM自己的研究人员依旧热衷于消除关于量子计算机的炒作问题。在走廊上的一张桌子边向外望去是郁郁葱葱的草坪,这里我遇到了Jay Gambetta,一位身材高大,性情随和的澳大利亚人,他研究关于IBM量子计算机的量子算法和潜在应用。 “我们处在这个独特的阶段,”他表示,小心翼翼地进行措辞, “我们的设备比你在传统计算机上进行的模拟要复杂得多,但它的精度还无法控制,因为你并不十分清楚该如何应对量子算法。”

赋予IBM研究人员希望的是这样一种情况,那就是不完善的量子计算机也可能是有用的。

Gambetta和其他研究人员已经注意到费曼在1981年设想的应用。化学反应和材料性质取决于原子和分子之间的相互作用。这些相互作用受量子现象的支配。量子计算机至少在理论上可以模拟出常规方法无法处理的那些模型。

去年,IBM研究人员Gambetta和他的同事们使用了7个量子比特的机器来模拟氢化铍的精确结构。虽然仅仅只有三个原子,但它是用量子系统建模的最复杂分子。最终,研究人员可能会使用量子计算机来设计更高效的太阳能电池,更有效的药物或可以将阳光转化为清洁燃料的催化剂。

这些目标的实现还有很长的路要走。但是,Gambetta说,人们或将能够从一台与经典计算机配对的易错量子机器中获得有价值的结果。

从物理学家的梦想到工程师的噩梦

“关于量子计算机概念炒作的积极作用是认识到量子计算实际上是真实的,”麻省理工学院教授艾萨克·庄(Isaac Chuang)如是指出, “它不再是物理学家的梦想,而是工程师的噩梦。”

在九十年代后期和二十一世纪初,庄在位于加州阿尔马登的IBM公司工作,领导了早期量子计算机的开发。虽然现在庄不再从事相关工作,但他认为我们正处于一个巨大起点之上——量子计算最终将在人工智能中发挥作用。

但他也怀疑颠覆不会真正到来,直至新一代的学生和黑客开始使用实用的量子计算机。量子计算机不仅需要不同的编程语言,而且需要根本不同的思维方式来编程。正如Gambetta所说:“事实上,我们并不知道量子计算机上’Hello,world’的含义是什么。”

我们正在开始发现本质。 2016年,IBM将一台小型量子计算机连接到云端。用户使用称为QISKit的编程工具包可以在云上运行简单的程序;从学术研究人员到小学生在内的成千上万的人都已经开发了运行基本量子算法的QISKit程序。现在谷歌和其他公司也在将他们的量子计算机联网。现在你不能用量子计算机做很多事情,但至少可以尝试一下可能会发生的事情。

创业社区对量子计算机也越来越兴奋。看过IBM的量子计算机后不久,我去了多伦多大学商学院,参加了量子创业公司的一场竞赛。一群初创公司企业家向一群教授和投资者展示他们的想法。一家公司希望用量子计算机来模拟金融市场。另一个则计划用量子计算机来设计新的蛋白质。还有一个想要开发更高级的人工智能系统。一切皆有可能,但唯一可以得到确认的是,每个团队的业务都建立在一种革命性的技术基础上,而这种技术几乎不存在。几乎没有人会因为这个事实而感到害怕。

如果第一台量子计算机找到实际用途过于缓慢,那么这种热情就会逐渐消散。那些真正了解对于诸如贝内特和庄等真正了解量子计算机的专家来说,他们的最佳猜测是,第一批实用量子计算机的诞生还有几年的时间。同时,这也要假设管理和操纵大量量子比特并不是一个棘手问题。

不过,专家们依旧抱着希望。当我问庄,当我两岁的儿子长大以后,世界会变成什么样子,他笑着回应, “也许你的孩子将有一个能够开发量子计算机的工具包。”(晗冰)

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