量子計(jì)算的歷史與未來(lái)

《連線》雜志發(fā)表了一系列文章來(lái)介紹最新的技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)文化。本文是量子計(jì)算篇，作者為T(mén)OM SIMONITE。

當(dāng)計(jì)算機(jī)變更小或者變更快時(shí)，就會(huì)發(fā)生下一個(gè)大事件（Big Things）。量子計(jì)算的出現(xiàn)，是為了追求技術(shù)史上最大的性能提升。基本理念是通過(guò)利用亞原子尺度的反直覺(jué)物理現(xiàn)象，來(lái)打破一些限制現(xiàn)有計(jì)算機(jī)速度的障礙。

就算科技領(lǐng)域成功實(shí)現(xiàn)了量子飛躍，你也不會(huì)有一臺(tái)量子計(jì)算設(shè)備可以裝在口袋里。不要開(kāi)始為購(gòu)買(mǎi)iPhone Q存錢(qián)。但是，我們可以看到它在推動(dòng)許多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的顯著進(jìn)步上有很大作用，比如電動(dòng)車(chē)用的長(zhǎng)效電池，或者重塑產(chǎn)業(yè)技術(shù)或?qū)崿F(xiàn)新醫(yī)療的化學(xué)進(jìn)步。量子計(jì)算機(jī)不可能在任何事情上都比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)做的更好更快，但是在一些棘手的問(wèn)題上，它們有優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)驚人的進(jìn)步。

問(wèn)從事量子計(jì)算研究的人，這些夢(mèng)幻般的應(yīng)用什么時(shí)候會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，是沒(méi)有用的，某種意義上來(lái)說(shuō)，也是不禮貌的。唯一可以肯定的是，他們還需要很多年的時(shí)間。量子計(jì)算硬件原型仍處于萌芽階段。但是，強(qiáng)大的——對(duì)于科技公司來(lái)說(shuō)，能給其增加利潤(rùn)的——量子物理驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)最近開(kāi)始變得不那么遙不可及了。

IBM的一個(gè)量子計(jì)算芯片的冷卻和支持結(jié)構(gòu)(圖片底部的黑色小方塊)。

這是因?yàn)楣雀琛BM和其他公司已經(jīng)決定，是時(shí)候?qū)@一技術(shù)進(jìn)行大量投資了，這反過(guò)來(lái)又幫助量子計(jì)算在金融(如摩根大通)和航空航天(如空客)等領(lǐng)域的大公司的公司戰(zhàn)略上獲得了一個(gè)突破點(diǎn)。根據(jù)CB Insights的數(shù)據(jù)，2017年，風(fēng)險(xiǎn)投資者向全球從事量子計(jì)算硬件或軟件的創(chuàng)業(yè)公司一共投入了2.41億美元。這是前一年的三倍。

就像支撐量子計(jì)算的令人困惑的數(shù)學(xué)原理一樣，圍繞這項(xiàng)仍然不切實(shí)際的技術(shù)建立的一些期望也會(huì)讓你不知所以。如果你現(xiàn)在在飛往舊金山的飛機(jī)上，瞇著眼睛向外看，你會(huì)看到一片量子炒作的陰霾在硅谷彌漫著。但是量子計(jì)算的巨大潛力是不可否認(rèn)的，它所需要的硬件正在快速發(fā)展。如果想要去理解量子計(jì)算，現(xiàn)在正是一個(gè)完美的時(shí)間。

量子計(jì)算的歷史

量子計(jì)算的前身歷史始于20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)物理學(xué)家開(kāi)始意識(shí)到他們已經(jīng)失去了對(duì)現(xiàn)實(shí)的掌控。

首先，對(duì)亞原子世界公認(rèn)的解釋被證明是不完整的。例如，電子和其他粒子不僅僅像牛頓撞球那樣巧妙地運(yùn)轉(zhuǎn)。有時(shí)它們表現(xiàn)得像波浪一樣。量子力學(xué)的出現(xiàn)，就是為了解釋這種奇怪的現(xiàn)象，但也提出了一些令人不安的問(wèn)題。比如電子的位置，在被觀察到之前是不存在的。

加州理工學(xué)院的理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在因其對(duì)量子理論的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)之前的一年評(píng)論道，“沒(méi)有人理解量子力學(xué)。”它與我們體驗(yàn)世界的方式是不相容的。但是有些人很好地理解了它，重新定義了我們對(duì)宇宙的理解。20世紀(jì)80年代，他們中的一些人——包括費(fèi)曼——開(kāi)始琢磨像亞原子粒子“你看不到我，我就不存在”這樣的量子現(xiàn)象是否可以用來(lái)處理信息。80年代和90年代形成的量子計(jì)算機(jī)的基本理論或藍(lán)圖仍然指導(dǎo)著谷歌和其他從事這項(xiàng)技術(shù)的人。

在我們陷入量子計(jì)算0.101的黑暗淺灘之前，我們應(yīng)該更新我們對(duì)普通舊計(jì)算機(jī)的理解。眾所周知，智能手表、iPhone和世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)基本上都在做同樣的事情：它們通過(guò)將信息編碼為數(shù)字比特(也就是0和1 )來(lái)執(zhí)行計(jì)算。例如，計(jì)算機(jī)可能會(huì)將電路中的電壓打開(kāi)和關(guān)閉，以表示1和0。

量子計(jì)算機(jī)也使用比特進(jìn)行計(jì)算。畢竟，我們希望它們能夠插入我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)。但是量子比特具有獨(dú)特而強(qiáng)大的特性，使得一組量子比特比同等數(shù)量的傳統(tǒng)比特做得事情要更多。

量子比特可以通過(guò)不同的方式來(lái)構(gòu)建，但是它們都是利用電子控制的東西的量子特性來(lái)代表數(shù)字0和1。最受歡迎的例子——至少在人類(lèi)的一部分中——包括超導(dǎo)電路，或者懸浮在電磁場(chǎng)中的單個(gè)原子。量子計(jì)算的魔力在于，這種安排讓量子比特做的不僅僅是在0和1之間翻轉(zhuǎn)。如果正確運(yùn)用它們，它們就可以翻轉(zhuǎn)成一種神秘的模式，被稱(chēng)為疊加。

環(huán)形電纜將芯片連接到其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)底部。

你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)，疊加的量子比特同時(shí)是0和1。這并不完全正確，也不完全錯(cuò)誤。但重要的是要知道，在這個(gè)解釋者眼中簡(jiǎn)化的、大膽的，我們稱(chēng)之為完美的世界中，疊加的數(shù)學(xué)描述了當(dāng)一個(gè)量子比特被讀出時(shí)發(fā)現(xiàn)0或1的概率——一個(gè)將它從量子疊加中崩潰為經(jīng)典現(xiàn)實(shí)的操作。量子計(jì)算機(jī)可以使用疊加的量子比特集合，來(lái)進(jìn)行不同的可能路徑的計(jì)算。如果做得正確，指向不正確路徑的指針會(huì)被取消，當(dāng)量子比特被讀出為0和1時(shí)，會(huì)留下正確的答案。

對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)非常耗時(shí)的一些問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)能夠以少得多的步驟找到解決方案。一種著名的量子搜索算法Grover的算法，只需1萬(wàn)次運(yùn)算，就可以在一本擁有1億個(gè)名字的電話(huà)簿中找到你。一個(gè)經(jīng)典的搜索算法平均需要5000萬(wàn)次運(yùn)算，才能快速瀏覽所有列表并找到你。對(duì)于Grover和其他一些量子算法來(lái)說(shuō)，初始問(wèn)題——或者電話(huà)簿——越大，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)就越容易被遺留在數(shù)字塵埃中。

我們今天沒(méi)有有用的量子計(jì)算機(jī)的原因是量子比特非常有限。它們必須控制的量子效應(yīng)非常微妙，雜散熱量或噪音都可能會(huì)翻轉(zhuǎn)0和1，或者消除一個(gè)重要的疊加。量子比特必須被小心地保護(hù)起來(lái)，并在非常冷的溫度下工作，有時(shí)只有絕對(duì)零度以上的幾分之一。大多數(shù)量子計(jì)算計(jì)劃都依賴(lài)于使用量子處理器相當(dāng)大的一部分能量來(lái)糾正其自身的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤是由量子比特的誤射引起的。

最近對(duì)量子計(jì)算的樂(lè)觀，源于在減少量子比特碎片方面的進(jìn)展。這讓研究人員有信心開(kāi)始將這些設(shè)備捆綁成更大的組。創(chuàng)業(yè)公司Rigetti Computing最近宣布，它已經(jīng)用128個(gè)量子比特的鋁電路制造了一個(gè)處理器，這些鋁電路經(jīng)過(guò)超級(jí)冷卻使其超導(dǎo)。谷歌和IBM已經(jīng)宣布他們各自擁有72和50量子比特的芯片。這仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)際工作所需的數(shù)量——這可能至少需要數(shù)千臺(tái)——但就在2016年，這些公司最好的芯片只有一位數(shù)的量子比特。在對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)家產(chǎn)生強(qiáng)大誘惑的30年后，實(shí)用的量子計(jì)算可能并不是那么接近現(xiàn)實(shí)，但它已經(jīng)開(kāi)始變得更接近了。

量子計(jì)算的未來(lái)

一些大公司和政府已經(jīng)開(kāi)始將量子計(jì)算研究視為一場(chǎng)競(jìng)賽——也許更恰當(dāng)?shù)貋?lái)說(shuō)，這是一場(chǎng)距離終點(diǎn)線的距離和到達(dá)終點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)都未知的競(jìng)賽。

谷歌、IBM、英特爾和微軟都已經(jīng)擴(kuò)大了他們?cè)谶@項(xiàng)技術(shù)上的團(tuán)隊(duì)，越來(lái)越多的創(chuàng)業(yè)公司如Rigetti都在緊追不舍。中國(guó)和歐盟各自啟動(dòng)了價(jià)值數(shù)十億美元的新項(xiàng)目來(lái)刺激量子研發(fā)。在美國(guó)，特朗普白宮成立了一個(gè)新的委員會(huì)來(lái)協(xié)調(diào)政府在量子信息科學(xué)方面的工作。2018年向美國(guó)國(guó)會(huì)提交了幾項(xiàng)議案，提議為量子研究提供新的資金，總額超過(guò)13億美元。目前還不清楚量子計(jì)算的第一批殺手級(jí)應(yīng)用是什么，也不清楚它們何時(shí)出現(xiàn)。但是有一種感覺(jué)，不管是誰(shuí)首先使這些機(jī)器有實(shí)際效用，都會(huì)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全優(yōu)勢(shì)。

銅結(jié)構(gòu)能夠很好地傳導(dǎo)熱量，并將儀器與其冷卻系統(tǒng)連接起來(lái)。

然而，回到現(xiàn)在的世界，量子處理器還太簡(jiǎn)單了，不能進(jìn)行實(shí)際工作。谷歌正在努力進(jìn)行一場(chǎng)名為“量子霸權(quán)”的演示，其中量子處理器將在現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)之外解決一個(gè)精心設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)問(wèn)題。這將是一個(gè)歷史性的科學(xué)里程碑，但并不能證明量子計(jì)算已經(jīng)能處理好真正的工作。

隨著量子計(jì)算機(jī)原型越來(lái)越大，它們的第一個(gè)實(shí)際用途可能是化學(xué)模擬。分子和原子的計(jì)算機(jī)模型對(duì)于尋找新藥或新材料至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中原子和電子的行為。為什么？因?yàn)檫@種行為是由量子力學(xué)驅(qū)動(dòng)的，量子力學(xué)對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器來(lái)說(shuō)太復(fù)雜了。戴姆勒和大眾都已經(jīng)開(kāi)始研究量子計(jì)算作為改善電動(dòng)汽車(chē)電池化學(xué)性能的方法。微軟表示，其他用途可能包括設(shè)計(jì)新的催化劑，降低工業(yè)過(guò)程的能耗，甚至從大氣中提取二氧化碳來(lái)緩解氣候變化。

量子計(jì)算機(jī)也是破解密碼的自然選擇。自90年代以來(lái)，我們就知道它們可以快速通過(guò)加密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來(lái)保護(hù)網(wǎng)上銀行和購(gòu)物等。量子處理器需要更先進(jìn)才能做到這一點(diǎn)，但是政府和公司正在認(rèn)真對(duì)待這一威脅。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所正在評(píng)估新的加密系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行量子驗(yàn)證。

當(dāng)冷卻到操作溫度時(shí)，整個(gè)組件就隱藏在這個(gè)白色的絕緣外殼里。

谷歌等科技公司也在押注量子計(jì)算機(jī)可以讓人工智能更強(qiáng)大的趨勢(shì)。這比化學(xué)或代碼破譯應(yīng)用更進(jìn)一步，但具體的細(xì)節(jié)并不太清楚，但是研究人員爭(zhēng)辯說(shuō)，當(dāng)他們和越來(lái)越大的量子處理器一起工作的時(shí)候，他們可以捕捉到更多的細(xì)節(jié)。一個(gè)希望是，量子計(jì)算機(jī)可以幫助機(jī)器學(xué)習(xí)算法使用比目前用于訓(xùn)練人工智能系統(tǒng)的數(shù)百萬(wàn)個(gè)例子少得多的例子來(lái)完成復(fù)雜的任務(wù)。

盡管量子計(jì)算時(shí)代何時(shí)真正開(kāi)始，還存在著所有類(lèi)似疊加的不確定性，但大型科技公司認(rèn)為，程序員現(xiàn)在需要做好準(zhǔn)備。谷歌、IBM和微軟都發(fā)布了開(kāi)源工具來(lái)幫助程序員熟悉量子硬件的編寫(xiě)程序。IBM甚至已經(jīng)開(kāi)始提供對(duì)其一些量子處理器的在線訪問(wèn)，所以任何人都可以嘗試使用它們。長(zhǎng)期來(lái)看，大型計(jì)算公司可以通過(guò)向公司收取費(fèi)用來(lái)訪問(wèn)裝有過(guò)冷量子處理器的數(shù)據(jù)中心來(lái)賺錢(qián)。

對(duì)我們其他人來(lái)說(shuō)有什么好處？盡管有一些明顯的缺點(diǎn)，但傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)讓生活變得更加安全、豐富和方便——我們中的許多人離一個(gè)小貓的視頻的時(shí)間距離從來(lái)不會(huì)超過(guò)五秒鐘。量子計(jì)算機(jī)時(shí)代應(yīng)該有同樣廣泛的影響，但這還是未知的。