機器紀元 - 量子計算百年風云史 “量子比特”何時統(tǒng)治世界？

　　機器紀元

　　如果量子計算僅僅是停留在模仿經(jīng)典計算機算法的地步的話，那么量子計算本身在信息儲存和操作具備的巨大優(yōu)勢就會僅僅被用來在計算復雜性理論（computational complexity theory）上留下一些成果，而現(xiàn)實的物理世界及問題則會被忽視。于是，在基于量子線路基礎上的量子算法之外，還出現(xiàn)了其他的量子算法，而它們不僅確實能在一些應用場景中超過經(jīng)典計算機，還能重新定義難解（intractability）和易解（tractability）問題的抽象概念。

　　絕熱算法（adiabatic algorithm）

　　2000年，MIT和東北大學（Northeastern University）的物理學家團隊提出了絕熱算法（Adiabatic Algorithms），2004年，該算法被證明在多項式意義上等價于線路模型。

　　基于測量的量子算法（Measurement-Based Algorithms）

　　和量子線路模型以幺正演化（unitary evolution）作為基本機制來操作信息不同，該算法只使用非幺正測量手段作為可計算步驟，這套算法演變稱兩個主要門類，一是隱形傳態(tài)下的量子計算（teleportation quantum computing），二是單向量子計算機（one way quantum computer）。在2003年，該算法被證明在計算復雜性理論問題上同樣等價于線路模型。

　　拓撲量子場論（Topological-Quantum-Field-Theory Algorithms）

　　在2000年，有人已經(jīng)證明，該模型可以在標準量子計算機上被高效模擬，但是該算法的最大優(yōu)勢在于高容錯性，而這就意味著大規(guī)模量子計算機的可能性。

　　1996年，賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）在論文里為費曼曾經(jīng)提出的量子計算機的設想給予了肯定的答案，包括量子計算機在內(nèi)的任何量子系統(tǒng)都能通過程序化來模仿任意量子系統(tǒng)的行為，而且他還給出了對量子計算機的未來展望：

　　“各式原子、分子以及半導體制成的量子設備的出現(xiàn)預示著量子模擬即將成為現(xiàn)實?！?/p>

　　1997年，第一個基于量子計算機的核磁共振模型提出，下一年，核磁共振技術就運用到了2量子比特位的寄存器中，而到了2000年，寄存器中的量子比特數(shù)量在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）手中增加到了7個。

　　和經(jīng)典計算機不一樣，量子比特并不天然存在，除了粒子阱之外，人們還嘗試了基于量子比特的偏振化光子、超導體、半導體以及拓補量子來作為量子比特，不斷地尋找最穩(wěn)定的量子比特載體。

　　2001年，IBM利用核磁共振技術激活7枚核自旋體使其成為量子比特，在成功運行了上兆次之后，終于成功地將15質數(shù)分解為3 × 5，量子計算機第一次將使得量子計算變成了現(xiàn)實——整整10年之后，中國的科學家利用4個量子比特實現(xiàn)了分解143。

　　2005年，人們成功地在粒子阱中控制住了8個量子比特，到了2010年，人們已經(jīng)可以在粒子阱中制造出14個處于糾纏態(tài)的量子比特。

　　到了2012年，早已經(jīng)不復往日風光的 IBM 依然在量子計算領域取得了驚人的成就，他們利用3D超導量子比特成功地使量子比特維持量子狀態(tài)的時間延長到100微秒（μs，1微秒等于百萬分之一秒）——對當時的科學家們而言，這微不足道的剎那時間已經(jīng)超過了量子計算機進行有效的糾錯機制的最低時間，而他們則能把更多的精力放在提高量子計算機規(guī)模的工程問題上。

　　在量子計算風起云涌的90年代，在IBM、貝爾實驗室、MIT等各領風騷的同時，一家4人聯(lián)合創(chuàng)辦的公司在遠離量子計算研究應用版圖中心的加拿大悄悄地成立了，此時正是20世紀的最后一年。

　　在之后的很長一段時間中，這家叫D-Wave的公司也并沒有引起多少人的注意和興趣，直到2007年，這家默默無聞的公司忽然推出了16位量子退火處理器原型獵戶座（Orion），而僅僅9個月后，他們又向外界展示了其27位處理器原型。

　　紅色為模擬退火算法，黑色為量子退火算法

　　D-Wave的量子退火算法的原理大體是這樣的：

　　和基于熱波動原理的模擬退火（simulated annealing）不同的是，量子退火（Quantum annealing）利用了量子波動。量子波動使得量子具有穿透比它自身能量高的勢壘的能力，即量子隧穿效應。量子退火通過模擬這一過程來實現(xiàn)對目標系統(tǒng)的優(yōu)化。

　　模擬退火算法要跳出局部最小點A到達全局最優(yōu)點B只能采用翻越勢壘的方式實現(xiàn)，因此以一定概率暫時接受較差的當前解成為必須。量子退火算法則利用量子隧穿效應，可以直接從 A 點穿透勢壘到達B點。因此，量子退火可能在某些問題上具有比經(jīng)典模擬退火算法更好的性能。

　　這家公司就像一個粗魯而強壯的野蠻人一般風風火火地撞進了由實驗室和象牙塔里的科學家們經(jīng)營維護的秘密花園，然后大無畏地蕩滌一切，兀自平靜地看著那群目瞪口呆猝不及防的人們。

　　加州大學伯克利分校教授阿麥什·瓦澤朗尼（Umesh Vazirani）這樣評價 D-Wave 和他們的原型產(chǎn)品：“一個16位的量子計算機只比手機的處理器強一些，很難說它代表了什么實用突破……即使 D-Wave 的‘量子計算機’的確是真的量子計算機，就算它有上千個量子比特，它也不必一部手機強上多少?！?/p>

　　然而，4年之后，這家公司推出了運行128位的一體量子計算機D-Wave One，代號“雷勒”（Rainier）的處理器主要用來解決優(yōu)化問題，這被認為是世界上第一臺商用化的量子計算機系統(tǒng)，其售價將近1000萬美元。推出這臺機器之后僅僅4天，洛克希德·馬丁公司就和D-Wave簽署了一份購買其機器、維護服務的長年合同。

　　對D-Wave的懷疑并沒停息，一支研究團隊表示，D-Wave One里的量子退火在運算速度上并沒有比經(jīng)典計算機快上多少。

　　但是，對D-Wave批評質疑的局面并非一成不變。

　　MIT的教授斯科特·艾倫森（Scott Aaronson）自稱“懷疑 D-Wave 者扛把子”（Chief D-Wave Skeptic），早在2007年他就宣稱D-Wave原型機展示“什么都沒法證明”。

　　隨著D-Wave One的推出以及更多關于支持D-Wave的研究——其中就包括發(fā)表在《自然》（Nature）上的論文——的出現(xiàn)，艾倫森也漸漸改變了自己的傾向，盡管依然堅持自己的質疑，但是，他最終還是表達了對D-Wave的祝賀，并宣布“從‘懷疑D-Wave者扛把子’任上退休”：

　　“過去4年來，大家一直要量子計算群體去評價一家只有冷水和餐盤的食肆，現(xiàn)在我很高興看到 D-Wave 終于端上了開胃菜。”

　　2012年，D-Wave推出了代號“維蘇威”（D-Wave）的512位量子計算機D-Wave Two，同一年，這家公司和 Google、NASA合作在埃姆斯研究中心（Ames Research Center）組建了量子人工智能實驗室（Quantum Artificial Intelligence Lab）。

　　不同的研究團隊對D-Wave的能力有著幾乎截然相反的評價，有人認為，在解決某些問題上，它的機器的最快運算速度是經(jīng)典計算機的3600倍，而另外一些實驗則顯示，在解決Prog-QAP問題上，普通單核桌面處理器的速度最多是D-Wave的1.2萬倍，在處理Prog-QUBO問題上，前者最多是后者的160倍。

　　實際上，D-Wave對自己的機器有著清晰的界定：

　　這臺機器并非通用量子計算機，僅僅只用運行優(yōu)化算法；

　　這臺機器的量子比特是有噪的，在容錯閾值之下是無法運行的；

　　并沒有大規(guī)模的量子糾纏；

　　一些良好調(diào)整的經(jīng)典優(yōu)化算法有時能超過D-Wave Two。

　　D-Wave 2X 量子計算機。 （Photo by Stephen Lam/Reuters）

　　在不斷的爭議和批評中，D-Wave在2015年發(fā)布了他們基于“喀邁拉圖”（chimera graph）架構的新一代1152位（實際上并沒達到）量子計算機系統(tǒng) D-Wave 2X。

　　一年之后，IBM推出了自己的5位量子計算機處理器，而正如它始終強調(diào)而D-Wave 欠缺的那樣，這是一臺通用量子計算機，盡管藍色巨人已經(jīng)顯出傾頹跡象，但是它依然給自己的量子計算列出了未來10年周期的開發(fā)計劃——在之后10年里開發(fā)出50~100位的量子計算機。IBM研究院總監(jiān)阿爾文德·克里希納（Arvind Krishna）這樣說道：

　　“量子計算機和今天的計算機非常不一樣，不只是因為樣子或什么做成的，更重要的在于量子計算機能做的事情。”