量子計算機(jī)需要解決量子噪聲的問題，量子噪聲會快速破壞計算結(jié)果。

（Josef Bsharah，Quanta Magazine）

量子計算機(jī)很快就能在一些基礎(chǔ)工作上打敗經(jīng)典計算機(jī)了。但在它們真正強(qiáng)大之前，研究者還需要攻克多個根本性的障礙。

經(jīng)歷了數(shù)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(jī)，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(yán)肅的數(shù)據(jù)計算的。但是全球有7萬人進(jìn)行了注冊，而且這個平臺的量子比特數(shù)現(xiàn)在已經(jīng)翻了兩番。在過去的幾個月，IBM和英特爾分別宣布它們已經(jīng)制造出了有50和49個比特的量子計算機(jī)，而外界認(rèn)為Google也有一臺等待發(fā)布的量子計算機(jī)。“這個領(lǐng)域大有可為，最近的發(fā)展也是碩果累累。”柏林自由大學(xué)（Free University of Berlin）的物理學(xué)家Jens Eisert說道。

有人認(rèn)為“量子霸權(quán)”即將成真：到那時，量子計算機(jī)可以超越現(xiàn)在最好的經(jīng)典超級計算機(jī)。如果比較兩種計算機(jī)的比特數(shù)，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(shù)十億個經(jīng)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(yuǎn)超經(jīng)典比特。長期以來人們認(rèn)為，一臺經(jīng)典計算機(jī)幾乎不能實現(xiàn)的計算任務(wù)，50個比特左右的量子計算機(jī)就能實現(xiàn)。

從這些事件中你可能會推斷，所有的基礎(chǔ)問題已經(jīng)在理論上得到了解決，未來量子計算機(jī)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(zhǔn)確。量子計算機(jī)的物理基礎(chǔ)問題遠(yuǎn)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(quán)”里程碑的到來，接下來的一到兩年才會決定量子計算機(jī)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(xiàn)“量子霸權(quán)”的遠(yuǎn)大目標(biāo)。

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(jī)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(jī)？

量子計算機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，我們有必要簡單了解下其背后依靠的理論物理基礎(chǔ)。經(jīng)典計算機(jī)用一串二進(jìn)制數(shù)字（1和0）來編碼和操縱信息。量子比特也用同樣的方式進(jìn)行編碼，只是它可能處在1和0的疊加態(tài)，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(xiàn)計算，這些量子比特需要處在相互依賴的疊加態(tài)——也被稱為“量子相干（quantum-coherent）”的狀態(tài)，在此狀態(tài)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(dá)到的計算能力將超越經(jīng)典比特的計算。對經(jīng)典計算機(jī)而言，計算資源按照比特數(shù)量成比例增長，而在量子計算機(jī)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(jīng)典比特相比，由于疊加態(tài)的存在大幅提高了量子比特的可編碼數(shù)量，因此量子計算機(jī)更有優(yōu)勢，但我并沒有這樣說。我也沒有說糾纏態(tài)的存在允許多個運算同步進(jìn)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(nèi)部，它連接了一個50比特量子系統(tǒng)的。

（Connie Zhou ，IBM）

我們很難解釋為什么量子計算如此強(qiáng)大，因為我們很難精確定義量子力學(xué)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(shù)據(jù)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(xiàn)的。

最保守的說法可能是，量子力學(xué)創(chuàng)造了經(jīng)典設(shè)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(xué)家Daniel Gottesman所說，“計算中應(yīng)用了足夠的量子力學(xué)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(xiàn)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(tǒng)和其周圍環(huán)境的相互作用，會導(dǎo)致量子性質(zhì)快速消失，這個過程稱為“退相干（decoherence）”。想要建造量子計算機(jī)，科學(xué)家就必須設(shè)法延長退相干時間，但現(xiàn)在的技術(shù)僅能將時間延長到零點幾秒。隨著量子比特數(shù)量的增加，其與外界環(huán)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(jī)的提議，20世紀(jì)90年代初量子計算機(jī)的理論就已經(jīng)形成，但是直到現(xiàn)在人們才制造出了能進(jìn)行有意義的計算的設(shè)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(nèi)的熱量、來自基本的量子力學(xué)過程的隨機(jī)波動都可能會干擾量子比特的狀態(tài)，從而造成計算錯誤。噪聲在經(jīng)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(fā)現(xiàn)和剔除。量子計算機(jī)的研究者們已經(jīng)想出了解決噪聲問題的策略，但這些策略更像是一種負(fù)擔(dān)——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(xiàn)在的錯誤率嚴(yán)重限制了量子計算機(jī)能執(zhí)行的計算的長度，”Andrew Childs說道，他是馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）量子信息和計算機(jī)科學(xué)聯(lián)合中心的聯(lián)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。”

Andrew Childs，馬里蘭大學(xué)的量子理論學(xué)家，他認(rèn)為錯誤率是值得小心的，這是量子計算機(jī)中一個基本而值得憂慮的問題。

許多量子計算的基礎(chǔ)研究都集中到了計算糾錯這個問題上。這個領(lǐng)域比較棘手的問題來源于量子系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵特性：疊加態(tài)只有在你不觀測量子比特值的時候才能維持。如果你進(jìn)行測量，那么疊加態(tài)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(tài)，要如何才能發(fā)現(xiàn)量子比特是否出錯呢？

一個巧妙的想法是進(jìn)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(jìn)行耦合，人們可以探測輔助量子比特而不會導(dǎo)致被測量量子比特狀態(tài)的塌縮。然而這個想法執(zhí)行起來較為復(fù)雜。這個解決方法意味著，為了構(gòu)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(xué)的量子理論學(xué)家Alán Aspuru-Guzik預(yù)估需要約1萬個現(xiàn)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(shù)字。不過他也認(rèn)為，隨著技術(shù)的提升，這個數(shù)字可以降低到幾千甚至是幾百。Eisert沒有這么悲觀，他認(rèn)為約800個物理量子比特可能就足夠了，但即便這樣，他也認(rèn)為這對計算資源來說是一筆巨大的開銷。而現(xiàn)在，我們需要找到新的方法來應(yīng)對那些容易產(chǎn)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(fā)一種策略，試圖搞清楚在一次計算中會發(fā)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(rèn)為，糾錯這個問題將會是棘手的，并且會阻礙量子計算機(jī)各種宏偉目標(biāo)的實現(xiàn)?！皠?chuàng)造量子糾錯的代碼比展現(xiàn)量子霸權(quán)還要困難，”以色列希伯來大學(xué)（Hebrew University of Jerusalem）的數(shù)學(xué)家Gil Kalai說到。他還補(bǔ)充到，“對計算而言，沒有糾錯功能的設(shè)備實在是太原始了，在這種基礎(chǔ)上建立霸權(quán)是不可能的。”換句話說，在量子計算機(jī)還會出現(xiàn)錯誤的情況下，它永遠(yuǎn)無法超越經(jīng)典計算機(jī)。

另一些人認(rèn)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(xué)家Jay Gambetta表示，“我們最近在IBM的研究在一臺小設(shè)備上實現(xiàn)了量子糾錯的基本元素，為在大設(shè)備上實現(xiàn)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(rèn)，“要使用邏輯量子比特實現(xiàn)一個容錯的通用量子計算機(jī)，仍有很長的路要走。”這樣的發(fā)展讓Childs保持謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度：“我相信我們會看到實驗上糾錯能力的進(jìn)步，但距離把這項技術(shù)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(jī)都很容易發(fā)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(shù)語，試圖尋找方法來適應(yīng)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(jié)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(jié)果。“一個足夠龐大并且高保真的量子計算機(jī)肯定有一些經(jīng)典計算機(jī)不具備的優(yōu)勢，即使它偶爾也會受到噪音的影響。”Gambetta表示。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

現(xiàn)階段，容忍噪聲最直接的應(yīng)用就是在原子級別上的物質(zhì)模擬。可能對科學(xué)家來說這是最有價值的領(lǐng)域，這實際上也是費曼一開始提議建造量子計算機(jī)的動機(jī)。量子力學(xué)的方程式規(guī)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(yīng)穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)活性。在經(jīng)典情況下，要解決這些問題不得不進(jìn)行許多簡化。

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

量子模擬已經(jīng)在一些非常小型的量子計算機(jī)上證明了其價值。包括Aspuru-Guzik在內(nèi)的研究小組開發(fā)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(tài)。雖然到目前為止，這套算法只能應(yīng)付有幾個電子的小分子，而經(jīng)典計算機(jī)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(shè)備展示了計算分子電子結(jié)構(gòu)的能力，包括氫化鋰和氫化鈹。這項工作是“向量子霸權(quán)的飛躍”，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（Swiss Federal Institute of Technology）的物理化學(xué)家Markus Reiher這樣說到?！袄肰QE模擬小分子結(jié)構(gòu)，是近期運用啟發(fā)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(rèn)，如果量子計算機(jī)要真正開始超越經(jīng)典設(shè)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(jī)實現(xiàn)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(jī)會在量子化學(xué)領(lǐng)域超越經(jīng)典計算機(jī)?！?Reiher補(bǔ)充道。“而如果我們有5000個這樣的量子比特，那么量子計算機(jī)將徹底改變這個領(lǐng)域?！?/p>

計算容量知多少？

盡管實現(xiàn)目標(biāo)需要經(jīng)歷一些挑戰(zhàn)，量子計算機(jī)從5個量子發(fā)展到了50個量子比特僅僅用了一年多，這種快速發(fā)展燃起了人們的希望。但我們不應(yīng)該沾沾自喜，因為這僅僅是量子計算機(jī)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(yīng)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(fā)生退相干。你能在這稍縱即逝的時間中執(zhí)行的邏輯運算數(shù)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(shù)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(jìn)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?fù)潆娮討B(tài)可以構(gòu)成低噪聲的量子比特，其電子狀態(tài)編碼二元信息時不受隨機(jī)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?fù)鋺B(tài)，但他們并不能保證找到或控制這種狀態(tài)。

IBM的研究人員用“量子容量”（quantum volume）描述量子計算機(jī)的計算能力，這個參數(shù)要把所有相關(guān)的因素都考慮進(jìn)去：量子比特的數(shù)量和關(guān)聯(lián)性、算法深度、量子門的其他各項性能參數(shù)?！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(rèn)為當(dāng)務(wù)之急就是發(fā)展能夠提高量子容量的量子計算硬件。

這也是為什么現(xiàn)在“量子霸權(quán)”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(jī)勝過一臺最先進(jìn)水平的超級計算機(jī)，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(jī)到底在那些方面做得更好？不經(jīng)過一臺可靠的經(jīng)典設(shè)備的檢查，你如何確定量子計算機(jī)得到了正確的答案？你又怎么知道經(jīng)典計算機(jī)在有更優(yōu)算法的情況下不能做得更好？

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

無論如何命名，量子計算機(jī)可以超越經(jīng)典計算這件事是有著顯著意義的。“界定一個清晰的量子優(yōu)勢將是一個重要的里程碑。”Eisert表示，這表明量子計算機(jī)真的可以拓展其在科技上的可能性。

確定“量子優(yōu)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(shè)備，而需要通過開發(fā)者和用戶間的充分互動才能實現(xiàn)。這也是為什么IBM和Google都熱衷于向公眾開放量子計算設(shè)備的原因。IBM的16位量子比特計算機(jī)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(xué)在內(nèi)的企業(yè)客戶開放了?？蛻舨粌H可以探索量子設(shè)備的用途，還可以創(chuàng)造一個以量子為語言的社區(qū)，幫助開發(fā)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(guī)并開花結(jié)果，我們必須讓全世界使用并學(xué)習(xí)它，”Gambetta說道?！叭澜绲目茖W(xué)家和企業(yè)應(yīng)當(dāng)集中精神，迎接量子計算時代的到來?！?/p>