什么是量子計算機？計算容量知多少？

量子計算機需要解決量子噪聲的問題，量子噪聲會快速破壞計算結果。

（Josef Bsharah，Quanta Magazine）

量子計算機很快就能在一些基礎工作上打敗經典計算機了。但在它們真正強大之前，研究者還需要攻克多個根本性的障礙。

經歷了數十年希望渺茫的艱苦研究，量子計算突然受到了熱烈的追捧。大約兩年前，IBM制造了一臺全球可用的量子計算機，這個有5個量子比特計算資源的平臺被稱為“IBM Q”。不過它更像是給研究者的玩具，而不是用來完成嚴肅的數據計算的。但是全球有7萬人進行了注冊，而且這個平臺的量子比特數現在已經翻了兩番。在過去的幾個月，IBM和英特爾分別宣布它們已經制造出了有50和49個比特的量子計算機，而外界認為Google也有一臺等待發布的量子計算機?！斑@個領域大有可為，最近的發展也是碩果累累?！卑亓肿杂纱髮W（Free University of Berlin）的物理學家Jens Eisert說道。

有人認為“量子霸權”即將成真：到那時，量子計算機可以超越現在最好的經典超級計算機。如果比較兩種計算機的比特數，這聽上去像是天方夜譚：50個量子比特要如何匹敵你筆記本電腦里數十億個經典比特？但量子計算的重點在于：一個量子比特的運算能力要遠超經典比特。長期以來人們認為，一臺經典計算機幾乎不能實現的計算任務，50個比特左右的量子計算機就能實現。

從這些事件中你可能會推斷，所有的基礎問題已經在理論上得到了解決，未來量子計算機將會無處不在，需要處理的只是工程問題。這種想法很誘人，但并不準確。量子計算機的物理基礎問題遠未得到解決，也難以在制造過程中輕易解決。即使我們很快就要見證“量子霸權”里程碑的到來，接下來的一到兩年才會決定量子計算機是否會帶來計算革命。前方依舊困難重重，沒有誰能保證實現“量子霸權”的遠大目標。

在紐約州約克敦海茨IBM沃森研究中心的量子計算中心，他們把量子計算機保存在低溫儲罐（最右）中，冷卻到絕對零度以上零點幾度。

（Connie Zhou，IBM）

什么是量子計算機？

量子計算機遇與挑戰并存，我們有必要簡單了解下其背后依靠的理論物理基礎。經典計算機用一串二進制數字（1和0）來編碼和操縱信息。量子比特也用同樣的方式進行編碼，只是它可能處在1和0的疊加態，這意味著如果我們測量這個量子比特，我們可能得到1，也可能得到0，且測到1或0的概率都是確定的。

為了用許多這樣的量子比特實現計算，這些量子比特需要處在相互依賴的疊加態——也被稱為“量子相干（quantum-coherent）”的狀態，在此狀態下量子比特會相互糾纏，一個量子比特的變化會影響其他所有量子比特。這也就意味著，對量子比特的計算操作可達到的計算能力將超越經典比特的計算。對經典計算機而言，計算資源按照比特數量成比例增長，而在量子計算機中，增加一個量子比特可以使計算資源翻倍。這也是為什么5個量子比特和50個量子比特的差異如此巨大。

請注意，雖然人們常說，與經典比特相比，由于疊加態的存在大幅提高了量子比特的可編碼數量，因此量子計算機更有優勢，但我并沒有這樣說。我也沒有說糾纏態的存在允許多個運算同步進行。這些描述不能說是錯的，但是都沒有抓住量子計算的核心。

IBM的低溫恒溫器內部，它連接了一個50比特量子系統的。

（Connie Zhou ，IBM）

我們很難解釋為什么量子計算如此強大，因為我們很難精確定義量子力學究竟是什么。量子理論的公式確實表明量子計算是可行的，至少在因式分解或是數據庫查詢等計算問題上，它帶來了巨大的計算速度提升。但沒人知道這具體是怎么實現的。

最保守的說法可能是，量子力學創造了經典設備所沒有的“計算資源”。正如加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所（Perimeter Institute）的量子理論學家Daniel Gottesman所說，“計算中應用了足夠的量子力學資源，計算速度就獲得了提高，否則就沒有?！?/p>

不過有一些事情還是清晰的。為了實現量子計算，你需要保持所有的量子比特相干。而這是非常困難的。量子相干實體所組成的系統和其周圍環境的相互作用，會導致量子性質快速消失，這個過程稱為“退相干（decoherence）”。想要建造量子計算機，科學家就必須設法延長退相干時間，但現在的技術僅能將時間延長到零點幾秒。隨著量子比特數量的增加，其與外界環境接觸的可能性增大，想要延長退相干時間的難度也就越大。這也是為什么早在1982年，費曼（Richard Feynman）就提出了量子計算機的提議，20世紀90年代初量子計算機的理論就已經形成，但是直到現在人們才制造出了能進行有意義的計算的設備。

量子錯誤

量子計算還面臨另外一方面的障礙。正如自然中的其他過程一樣，量子計算過程中也有噪聲。來自量子比特內的熱量、來自基本的量子力學過程的隨機波動都可能會干擾量子比特的狀態，從而造成計算錯誤。噪聲在經典計算中同樣存在，但不難解決——你只要給每個比特保存兩到三份備份，這樣一個錯誤的比特就很容易被發現和剔除。量子計算機的研究者們已經想出了解決噪聲問題的策略，但這些策略更像是一種負擔——你所有的計算能力都被用于糾正錯誤，而不是運行算法?！艾F在的錯誤率嚴重限制了量子計算機能執行的計算的長度，”Andrew Childs說道，他是馬里蘭大學（University of Maryland）量子信息和計算機科學聯合中心的聯合主任?！叭绻覀兿胱鲆恍┯腥さ氖虑?，我們需要一個比這好得多的策略?！?/p>

Andrew Childs，馬里蘭大學的量子理論學家，他認為錯誤率是值得小心的，這是量子計算機中一個基本而值得憂慮的問題。

許多量子計算的基礎研究都集中到了計算糾錯這個問題上。這個領域比較棘手的問題來源于量子系統的另一個關鍵特性：疊加態只有在你不觀測量子比特值的時候才能維持。如果你進行測量，那么疊加態就會塌縮到一個確定的值：1或0。那么問題來了，如果你不知道量子比特的狀態，要如何才能發現量子比特是否出錯呢？

一個巧妙的想法是進行間接的觀測，把需要觀測的量子比特與一個不參與計算的輔助用量子比特進行耦合，人們可以探測輔助量子比特而不會導致被測量量子比特狀態的塌縮。然而這個想法執行起來較為復雜。這個解決方法意味著，為了構成一個用于糾錯的真正的“邏輯量子比特（logical qubit）”，你需要許多物理量子比特。

到底需要多少呢？哈佛大學的量子理論學家Alán Aspuru-Guzik預估需要約1萬個現在的物理量子比特才能制造一個邏輯量子比特——這是一個完全不切實際的數字。不過他也認為，隨著技術的提升，這個數字可以降低到幾千甚至是幾百。Eisert沒有這么悲觀，他認為約800個物理量子比特可能就足夠了，但即便這樣，他也認為這對計算資源來說是一筆巨大的開銷。而現在，我們需要找到新的方法來應對那些容易產生編碼錯誤的量子比特。

糾錯的另一種選擇就是避免或者消除他們的影響：也稱為 “誤差抑制（error mitigation）”。例如，IBM的研究員正在開發一種策略，試圖搞清楚在一次計算中會發生多少錯誤，從而推斷出理論上的“0噪聲”極限。

一些研究者認為，糾錯這個問題將會是棘手的，并且會阻礙量子計算機各種宏偉目標的實現?！皠撛炝孔蛹m錯的代碼比展現量子霸權還要困難，”以色列希伯來大學（Hebrew University of Jerusalem）的數學家Gil Kalai說到。他還補充到，“對計算而言，沒有糾錯功能的設備實在是太原始了，在這種基礎上建立霸權是不可能的?！睋Q句話說，在量子計算機還會出現錯誤的情況下，它永遠無法超越經典計算機。

另一些人認為問題終將得到解決。IBM沃森研究中心（Thomas J. Watson Research Center）的量子信息科學家Jay Gambetta表示，“我們最近在IBM的研究在一臺小設備上實現了量子糾錯的基本元素，為在大設備上實現噪聲下長時間存儲量子信息鋪平了道路?！奔词谷绱?，他也承認，“要使用邏輯量子比特實現一個容錯的通用量子計算機，仍有很長的路要走?！边@樣的發展讓Childs保持謹慎樂觀的態度：“我相信我們會看到實驗上糾錯能力的進步，但距離把這項技術用于實際計算，還有很長的一段路要走?！?/p>

與錯誤共存

目前，量子計算機都很容易發生錯誤，問題在于我們要如何與錯誤相處。在IBM，研究者們正在討論一個叫“近似量子計算（approximate quantum computing）”的術語，試圖尋找方法來適應噪聲。

通過可以容忍錯誤的算法，我們能夠在有噪聲的情況下仍然得到正確的結果。這就好比在大選中，人們剔除幾張錯誤的選票，一樣可以得到正確的選舉結果?！耙粋€足夠龐大并且高保真的量子計算機肯定有一些經典計算機不具備的優勢，即使它偶爾也會受到噪音的影響?！盙ambetta表示。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

現階段，容忍噪聲最直接的應用就是在原子級別上的物質模擬?？赡軐茖W家來說這是最有價值的領域，這實際上也是費曼一開始提議建造量子計算機的動機。量子力學的方程式規定了一種特性計算方式，可以用來計算例如藥物分子的反應穩定性和化學反應活性。在經典情況下，要解決這些問題不得不進行許多簡化。

Childs認為，電子和原子的量子行為“和量子計算機的原始行為十分相近?！彼晕覀兛梢岳昧孔佑嬎銠C建立一個分子的精確的計算機模型?！斑@一領域中的許多人都相信，此類設備有望在量子化學和材料科學領域廣泛應用?！盇spuru-Guzik這樣表示，他正在推動量子計算向這一方向發展。

量子模擬已經在一些非常小型的量子計算機上證明了其價值。包括Aspuru-Guzik在內的研究小組開發了一套名為“可變量子本征求解”（variational quantum eigensolver ，VQE）的算法，這套算法可以在有噪聲的情況下高效找到分子的最低能量狀態。雖然到目前為止，這套算法只能應付有幾個電子的小分子，而經典計算機足以完全勝任相同的工作。但它的性能逐漸提升了，Gambetta及其合作者去年九月用IBM的6個量子比特的設備展示了計算分子電子結構的能力，包括氫化鋰和氫化鈹。這項工作是“向量子霸權的飛躍”，蘇黎世聯邦理工學院（Swiss Federal Institute of Technology）的物理化學家Markus Reiher這樣說到?！袄肰QE模擬小分子結構，是近期運用啟發式算法（heuristic algorithms）的一個顯著的例子?！盙ambetta說到。

即便如此，Aspuru-Guzik也承認，如果量子計算機要真正開始超越經典設備，有糾錯功能的邏輯量子比特是必不可少的?！拔曳浅Ｆ诖?，具備糾錯功能的量子計算機實現的那一天?！?/p>

“如果我們有超過200個邏輯量子比特，我們就有機會在量子化學領域超越經典計算機?！?Reiher補充道?！岸绻覀冇?000個這樣的量子比特，那么量子計算機將徹底改變這個領域?！?/p>

計算容量知多少？

盡管實現目標需要經歷一些挑戰，量子計算機從5個量子發展到了50個量子比特僅僅用了一年多，這種快速發展燃起了人們的希望。但我們不應該沾沾自喜，因為這僅僅是量子計算機的一個方面。重要的不僅僅是你有多少量子比特，而是你的量子比特性能有多好，你的算法效率多高。

任何的量子計算都需要在退相干效應將量子比特擾亂之前完成。一般情況下，一組組合好的量子比特有幾微秒的時間發生退相干。你能在這稍縱即逝的時間中執行的邏輯運算數量取決于量子門切換的速度，如果切換的時間過長，那么你能支配的量子比特再多也沒用。一次計算需要操縱門的次數稱為“深度(depth)”：顯然深度較小的算法可行性更高，但這樣的算法能不能用于進行有價值的計算則是另一個問題了。

此外，不是所有的量子比特都同樣嘈雜。理論上，特定材料的拓撲電子態可以構成低噪聲的量子比特，其電子狀態編碼二元信息時不受隨機噪聲的干擾。微軟的研究人員正在特殊的量子材料上尋找這樣的拓撲態，但他們并不能保證找到或控制這種狀態。

IBM的研究人員用“量子容量”（quantum volume）描述量子計算機的計算能力，這個參數要把所有相關的因素都考慮進去：量子比特的數量和關聯性、算法深度、量子門的其他各項性能參數?！傲孔尤萘俊边@個概念才能全面地描述量子計算的能力，Gambetta認為當務之急就是發展能夠提高量子容量的量子計算硬件。

這也是為什么現在“量子霸權”這個夸張概念看起來如此不靠譜的原因。一臺50量子比特的量子計算機勝過一臺最先進水平的超級計算機，這畫面確實十分誘人，但也留下了許多懸而未決的問題。量子計算機到底在那些方面做得更好？不經過一臺可靠的經典設備的檢查，你如何確定量子計算機得到了正確的答案？你又怎么知道經典計算機在有更優算法的情況下不能做得更好？

所以“量子霸權”是一個需要謹慎對待的概念。越來越多的研究者現在傾向于使用“量子優勢”，這種表述指的是量子設備對速度的提升，而沒有斷言哪種設備更占優勢。由于種族和政治原因，人們也對“霸權”這個詞逐漸產生厭惡。

無論如何命名，量子計算機可以超越經典計算這件事是有著顯著意義的?！敖缍ㄒ粋€清晰的量子優勢將是一個重要的里程碑?！盓isert表示，這表明量子計算機真的可以拓展其在科技上的可能性。

確定“量子優勢”，其象征意義可能大于實際價值。但這樣的事情依然是重要的，因為如果量子計算想要取得成功，不能僅靠IBM或Google這樣的公司突然出售他們的新設備，而需要通過開發者和用戶間的充分互動才能實現。這也是為什么IBM和Google都熱衷于向公眾開放量子計算設備的原因。IBM的16位量子比特計算機面向所有注冊用戶開放后，一個20位的版本也面向包括摩根、戴勒姆公司、本田、三星和牛津大學在內的企業客戶開放了?？蛻舨粌H可以探索量子設備的用途，還可以創造一個以量子為語言的社區，幫助開發者解決問題，這是任何一家公司都無法獨自完成的。

“為了量子計算邁入正規并開花結果，我們必須讓全世界使用并學習它，”Gambetta說道?！叭澜绲目茖W家和企業應當集中精神，迎接量子計算時代的到來?！?/p>