經(jīng)典魔方有43 252 003 274 489 856 000種變化。你可能不解，人們?nèi)绾螌⒋騺y的魔方復(fù)原，讓每一面只有一種顏色。有些人甚至可以只看一眼打亂的魔方，然后蒙上眼睛來復(fù)原。這是完全有可能的，因?yàn)榇嬖谝惶谆疽?guī)則，通過至多20步即可復(fù)原魔方。

控制量子計算機(jī)好比是蒙上眼睛解魔方：初始狀態(tài)已知，且存在一組有限的基本元素（量子位），操控可以通過一套簡單的規(guī)則——表示量子態(tài)向量的旋轉(zhuǎn)——來實(shí)現(xiàn)。但在操控期間查看系統(tǒng)會帶來嚴(yán)重后果：如果查看過早，計算將會失敗，你只能查看機(jī)器的最終狀態(tài)。

量子計算機(jī)的強(qiáng)大在于系統(tǒng)可由眾多狀態(tài)組合而成。有時，這一事實(shí)也被用來論證建造或控制量子計算機(jī)是不可能的：論證的要點(diǎn)是，描述量子計算機(jī)狀態(tài)所需的參數(shù)數(shù)量太過于龐大。的確，控制量子計算機(jī)并確保其狀態(tài)不受各種誤差源的影響將是巨大的工程挑戰(zhàn)。然而，難點(diǎn)不在于其復(fù)雜的量子態(tài)，而在于確?；镜目刂?a target="_blank">信號的執(zhí)行完全準(zhǔn)確無誤，且量子位行為符合預(yù)期。

如果工程師能夠找到相應(yīng)方法，量子計算機(jī)終究會解決傳統(tǒng)計算機(jī)無法解決的問題。量子計算機(jī)或許能夠破解被認(rèn)為無法破解的密碼，協(xié)助發(fā)現(xiàn)新藥，改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，解決復(fù)雜的物流問題，等等。

這些期望的確很高，科技公司和政府在量子計算機(jī)上押下數(shù)十億美元的賭注。但這仍然是一場賭博，量子力學(xué)效應(yīng)可帶來巨大能量，同樣也會使這些機(jī)器變得非常敏感，難以控制。

這種情況會持續(xù)下去嗎？傳統(tǒng)超級計算機(jī)和量子計算機(jī)的主要區(qū)別在于，量子計算機(jī)利用某些量子力學(xué)效應(yīng)，以違背直覺的方式操控數(shù)據(jù)。我將簡要介紹其中一些效應(yīng)。這些介紹應(yīng)足以幫助你了解工程方面的障礙，以及克服障礙的一些策略。

普通傳統(tǒng)計算機(jī)操控位（二進(jìn)制數(shù)字），必須是0或1，而量子計算機(jī)操控量子位。與傳統(tǒng)位不同，量子位利用稱為“疊加”的量子力學(xué)效應(yīng)，使得量子位可處于疊加了一定數(shù)量“0”和一定數(shù)量“1”的狀態(tài)。描述一個量子位有多少“1”和多少“0”的系數(shù)是復(fù)數(shù)，它們含有實(shí)部和虛部。

在擁有多量子位的機(jī)器中，可以用一種極為特殊的方式來創(chuàng)造量子位，如此，量子位的狀態(tài)便不能獨(dú)立于其他量子位的狀態(tài)來描述。這種現(xiàn)象稱為“糾纏”。多個糾纏量子位可能存在的狀態(tài)比單個量子位的要復(fù)雜得多。

傳統(tǒng)的兩位只能被設(shè)定為00、01、10或11，而兩個糾纏量子位可將這4種基本狀態(tài)疊加。也就是說，一對糾纏量子位可存在一定數(shù)量的00態(tài)，一定數(shù)量的01態(tài)，一定數(shù)量的10態(tài)和一定數(shù)量的11態(tài)。3個糾纏量子位元可由8種基本狀態(tài)疊加而成。n個量子位可以是2n個狀態(tài)的疊加。對n個糾纏量子位進(jìn)行運(yùn)算等同于同時對2n個信息位進(jìn)行運(yùn)算。

對量子位進(jìn)行運(yùn)算類似于旋轉(zhuǎn)魔方。最大的不同之處在于量子旋轉(zhuǎn)從來都不是完美的。由于控制信號的質(zhì)量和量子位的靈敏度的某些限制，量子位旋轉(zhuǎn)90度的運(yùn)算最終可能會使其旋轉(zhuǎn)90.1度或89.9度。誤差看起來可能很小，但會迅速累加，導(dǎo)致完全錯誤的輸出。

另一個誤差來源是退相干：如果量子位離散，會逐漸丟失所含信息，失去糾纏。即便工程上用存儲量子位的物理基使其相互隔絕，在一定程度上量子位也會與其環(huán)境相互作用。可以通過所謂的量子糾錯來補(bǔ)償控制誤差和退相干的影響，但這樣做的代價很大，所需物理量子位的數(shù)量和所需處理的工作量都很高。

一旦克服這些技術(shù)上的挑戰(zhàn)，量子計算機(jī)將用于某些特殊類型的計算。執(zhí)行量子算法后，機(jī)器將測量出最終狀態(tài)。理論上講，該測量結(jié)果有可能解答傳統(tǒng)計算機(jī)在一個合理時間段內(nèi)無法解決的數(shù)學(xué)問題。

那么，如何設(shè)計量子計算機(jī)？工程上往往將機(jī)器的主要功能分解成若干子功能組，每個子功能組的性質(zhì)相似或性能相近。這樣，這些功能組易于映射到硬件上。在荷蘭QuTech公司，我和同事發(fā)現(xiàn)，量子計算機(jī)所需的功能可基本分為5組，概念上由5個控制層表示。IBM、谷歌、英特爾等公司的研究人員也在采取類似策略，除此之外，建造量子計算機(jī)還可采用其他的方法。

現(xiàn)在來介紹這個5層的“蛋糕”，我將由頂層開始，這是對發(fā)生在硬件內(nèi)部深層繁瑣細(xì)節(jié)抽象的最高級別。

最上層是應(yīng)用層，它并不是量子計算機(jī)本身的一部分，但卻是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它表示組成相關(guān)算法所需的所有要素：編程環(huán)境、量子計算機(jī)操作系統(tǒng)、用戶界面等。該層算法的組成可以是完全量子化的，也可以是傳統(tǒng)和量子的部分組合。應(yīng)用層不應(yīng)依賴于其下層使用的硬件類型。

應(yīng)用層的正下方是傳統(tǒng)處理層，它有3個基本功能。首先，它優(yōu)化運(yùn)行中的量子算法，并將其編譯為微指令，類似于傳統(tǒng)計算機(jī)中的CPU，對應(yīng)每條必須執(zhí)行的機(jī)器代碼指令，操作運(yùn)行眾多微指令。該層還處理由下層硬件返回的量子態(tài)測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能會被反饋給傳統(tǒng)算法，得出最終結(jié)果。傳統(tǒng)處理層還將負(fù)責(zé)下層所需的校準(zhǔn)和調(diào)諧。

傳統(tǒng)處理層之下是數(shù)字處理層、模擬處理層和量子處理層，它們共同組成量子處理單元（QPU）。量子處理單元的3層之間有著緊密的聯(lián)系，每一層的設(shè)計很大程度上取決于另外兩層的設(shè)計。從上往下，我將更全面地介紹構(gòu)成量子處理單元的這3層。

數(shù)字處理層將微指令轉(zhuǎn)換成脈沖，這是操控量子位作為量子邏輯門所需的信號。更準(zhǔn)確地說，該層僅僅提供了模擬脈沖的數(shù)字定義。模擬脈沖本身是在量子處理單元的模擬處理層中產(chǎn)生的。數(shù)字層還將量子計算的測量結(jié)果反饋給上面的傳統(tǒng)處理層，使量子解與傳統(tǒng)計算結(jié)果相結(jié)合。

當(dāng)前，個人計算機(jī)或現(xiàn)場可編程門陣列可以處理這些任務(wù)。但是當(dāng)糾錯加入到量子計算機(jī)中時，數(shù)字處理層將不得不變得更加復(fù)雜。

模擬處理層產(chǎn)生發(fā)送給下一層量子位的各種信號，主要有電壓階躍和掃描以及微波脈沖串，經(jīng)相位和幅度調(diào)制，執(zhí)行所需的量子位運(yùn)算。在運(yùn)算過程中，量子位連接形成量子邏輯門，進(jìn)而按照正在運(yùn)行的特定量子算法共同進(jìn)行整體計算。

雖然技術(shù)上生成此類信號并不困難，但管理實(shí)用量子計算機(jī)所需的眾多信號存在重大障礙。首先，發(fā)送給不同量子位的信號需要在皮秒級時間尺度上同步。需要一些方法來將這些不同的信號傳遞給不同的量子位，使其發(fā)揮不同的作用。這是巨大的阻礙。

當(dāng)前的小型系統(tǒng)中只有幾十個量子位，每個量子位被調(diào)諧到不同頻率，類似鎖定在某個頻道的無線電接收器。在共享信號線上，發(fā)射相應(yīng)的特定頻率，可以選擇訪問量子位。這可行，但該策略不可擴(kuò)展。發(fā)送到一個量子位的信號必需有合理的帶寬，如10兆赫。如果計算機(jī)包含100萬個量子位，此類信號系統(tǒng)需要10太赫的帶寬，這當(dāng)然不可行。同樣不可能構(gòu)建100萬條獨(dú)立的信號線，將每條信號線直接連接到每個量子位。

該解決方案可能涉及頻率復(fù)用和空間復(fù)用的組合。將量子位編造成組，組中的每一量子位被調(diào)諧到不同頻率。計算機(jī)包含許多這樣的量子位組，所有量子位組都連接到一個模擬通信網(wǎng)絡(luò)上，模擬層生成的信號僅連接到一個選定量子位組子集。通過正確分配信號頻率和網(wǎng)絡(luò)連接，你可操控單個或一批目標(biāo)量子位，而不影響其他量子位。

這種方法應(yīng)該會有效，但多路復(fù)用的不足是控制不準(zhǔn)確。如何消除這種不準(zhǔn)確仍有待研究。

當(dāng)前系統(tǒng)中，數(shù)字處理層和模擬處理層主要在室溫下工作。只有其下面容納量子位的量子處理層溫度要保持在接近絕對零度。但是，隨著未來系統(tǒng)中量子位數(shù)量的增加，構(gòu)成這3層的電子元件無疑將不得不集成封裝到低溫芯片中。

當(dāng)前某些公司正建造所謂的初始原型樣機(jī)是基于超導(dǎo)量子位。這些機(jī)器最多包含幾十個量子位，能夠執(zhí)行幾十到幾百次相干量子運(yùn)算。采納這種方法的公司包括科技巨頭谷歌、IBM和英特爾。

通過增加控制線的數(shù)量，工程師可以將當(dāng)前架構(gòu)擴(kuò)展到數(shù)百個量子位，這已經(jīng)很多了。這些量子位保持相干的時間很短，當(dāng)前大約是50微秒，這將限制在計算出錯之前可執(zhí)行的量子指令數(shù)。

鑒于這些限制，我預(yù)計，數(shù)百個量子位的系統(tǒng)的主要應(yīng)用將是作為傳統(tǒng)超級計算機(jī)的加速器。將量子計算機(jī)運(yùn)行速度快的特定任務(wù)由超級計算機(jī)發(fā)送到量子計算機(jī)，再將結(jié)果返回給超級計算機(jī)作進(jìn)一步處理。某種意義上來說，量子計算機(jī)將像筆記本電腦中的圖形處理器（GPU），執(zhí)行某些特定任務(wù)，如矩陣求逆或初始條件優(yōu)化，其速度要比單獨(dú)的CPU快得多。

量子計算機(jī)發(fā)展的下一階段，應(yīng)用層的建造會相當(dāng)直接。數(shù)字處理層也將相對簡單。而建造組成量子處理單元的3層會很棘手。

當(dāng)前技術(shù)無法生成完全一致的量子位。不同的量子位的屬性略有不同。這種異質(zhì)性反過來又要求量子處理單元的模擬層適配其所控制的特定量子位。這種定制需求使得建造量子處理單元的過程難以擴(kuò)展。量子位一致性更高，便不需要定制模擬層，且允許控制和測量信號的多路復(fù)用。

研究人員可能會在5到10年內(nèi)引入更多的量子位，進(jìn)而為機(jī)器增加糾錯機(jī)制，而大量的量子位將需要多路復(fù)用。支持這種糾錯的思路非常簡單：不要將數(shù)據(jù)存儲在一個物理量子位中，而是將多個物理量子位組合成可糾錯的一個邏輯量子位。

量子糾錯可以解決根本的退相干問題，但每一邏輯量子位需要100到1萬個物理量子位。這并非唯一的障礙。實(shí)現(xiàn)糾錯需要低延遲、高通量、跨越量子處理單元3層的反饋循環(huán)。

在超導(dǎo)電路、自旋量子位、光子系統(tǒng)、離子阱、氮晶格空位中心等眾多類型的量子位實(shí)驗(yàn)中，哪一種最適合用來制造進(jìn)行糾錯的大量量子位，尚有待觀察。無論哪一種為最佳方案，都需要成功地封裝和控制至少幾百萬的量子位。

這便引出了大問題：我們真的能夠做到嗎？數(shù)百萬的量子位必須由連續(xù)的模擬信號來控制。這很難，但絕非沒有可能。我和其他研究人員計算出，假如設(shè)備的質(zhì)量能夠提高幾個數(shù)量級，用于糾錯的控制信號便可多路復(fù)用，用數(shù)字層管理多路復(fù)用策略，模擬層設(shè)計會變得簡單明了。未來的量子處理單元將不需要幾百萬，而只需要幾百或幾千個數(shù)字連接，這可借助當(dāng)前的集成電路的設(shè)計和制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

更大的挑戰(zhàn)很可能來自測量方面：每秒鐘需要在芯片上進(jìn)行數(shù)千次測量。測量不能干擾量子信息（計算結(jié)束前量子信息是不確定的），同時還要揭示和糾正計算過程中出現(xiàn)的錯誤。按照這樣的頻率測量數(shù)百萬個量子位，測量方法需要進(jìn)行很大的改變。

目前的量子位測量方法需要對模擬信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)和數(shù)字化處理。當(dāng)測量速率達(dá)到數(shù)千赫茲時，在擁有數(shù)百萬量子位的機(jī)器中，數(shù)字總通量將是拍字節(jié)/秒。當(dāng)前的技術(shù)無法處理如此之多的數(shù)據(jù)，這還涉及將室溫電子器件在接近絕對零度的溫度下連接到保存量子位的芯片。

顯然，量子處理單元的模擬層和數(shù)字層必須與同一芯片的量子處理層集成，采用巧妙的策略對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和多路復(fù)用。幸運(yùn)的是，對于為糾錯而進(jìn)行的處理，并非所有量子位的測量都必須傳遞到數(shù)字層。只有當(dāng)本地電路檢測到錯誤時才需如此，從而大大減少了所需的數(shù)字帶寬。

量子層的性能將從根本上決定計算機(jī)的運(yùn)算狀況。量子位的瑕疵意味著需要更多的量子位來糾錯，而當(dāng)這些瑕疵惡化時，對量子計算機(jī)的要求便超出可行的范圍。反之亦然：工程上改進(jìn)量子位質(zhì)量的成本極高，但能很快收回成本。

在當(dāng)前的量子計算初始原型階段，單獨(dú)量子位控制是不可避免的：我們需要最大限度地利用已有的量子位。不過很快，隨著可用量子位數(shù)量的增加，研究人員必須設(shè)計出多路復(fù)用的控制信號和量子位測量系統(tǒng)。

接下來的重要一步是采用基本的糾錯形式。最初可能有兩條平行的開發(fā)路線，一條有糾錯，另一條沒有糾錯，但糾錯量子計算機(jī)最終將占據(jù)主導(dǎo)地位。要建造可真正執(zhí)行實(shí)際任務(wù)的機(jī)器，除此之外別無他法。

準(zhǔn)備這些開發(fā)任務(wù)，需要芯片設(shè)計人員、芯片制造工程師、低溫控制專家、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理專家、量子算法開發(fā)人員以及其他人員的密切合作。

國際量子工程路線圖有助于如此復(fù)雜的合作?？蓪⒏黜?xiàng)任務(wù)分配給不同專家組，由路線圖的發(fā)布者協(xié)調(diào)專家組之間的溝通。通過學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司的聯(lián)合，我們能夠并將成功地建造實(shí)用的量子計算機(jī)，在未來釋放出巨大的計算能力。

審核編輯 ：李倩