5月15日，《快公司》雜志近期刊文稱(chēng)，IBM近期公布了在量子計(jì)算領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破。不過(guò)，開(kāi)發(fā)真正的量子計(jì)算機(jī)仍有許多問(wèn)題有待解決。

以下為文章全文：

量子計(jì)算并不簡(jiǎn)單。然而IBM的研究人員近期宣布，在解決量子計(jì)算一個(gè)主要問(wèn)題的過(guò)程中，他們已經(jīng)邁出了重要一步。這就是開(kāi)發(fā)一種更好的方式，檢測(cè)及修正令人困擾的錯(cuò)誤。IBM T.J.沃森實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人馬克·利特（Mark Ritter）在一篇博文中表示：“我認(rèn)為，我們正在迎來(lái)量子計(jì)算研究的黃金時(shí)代。”而關(guān)于全球第一臺(tái)真正的量子計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)，他的團(tuán)隊(duì)“正走在前沿”。

首先，來(lái)看看什么是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)利用了微觀粒子的特殊行為，來(lái)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決，或是耗時(shí)太長(zhǎng)的問(wèn)題。例如，實(shí)驗(yàn)室中很難研究量子層面的分子間互動(dòng)，這在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上也很難模擬，但量子計(jì)算機(jī)可以勝任這樣的工作。

“在藥物制造、藥物設(shè)計(jì)、化工設(shè)計(jì)，以及生物制藥等領(lǐng)域，量子模擬很有潛力。”IBM試驗(yàn)性量子計(jì)算集團(tuán)經(jīng)理杰瑞·周（Jerry Chow）表示。此外，量子計(jì)算機(jī)能輕松破解當(dāng)前使用的最復(fù)雜的密碼。基于這樣的理由，美國(guó)國(guó)家安全局（NSA）也投入巨資研究量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)引入了大量理論物理和數(shù)學(xué)的概念。自90年代量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以來(lái)，全球?qū)W術(shù)機(jī)構(gòu)、政府，以及包括谷歌、微軟和洛克希德馬丁在內(nèi)的公司都已對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了多年的研究。加拿大一家公司D-Wave宣稱(chēng)，該公司已經(jīng)制造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。不過(guò)許多研究人員，包括IBM的研究者在內(nèi)，都對(duì)這一計(jì)算機(jī)是否具備真正的“量子性”提出了質(zhì)疑。

“量子”是什么

一個(gè)經(jīng)典的二進(jìn)制比特只有兩種狀態(tài)：“0”和“1”，而量子比特(即“qubit”)可同時(shí)存在兩種可能的狀態(tài)，這種新?tīng)顟B(tài)被稱(chēng)作“疊加態(tài)”。因此，對(duì)量子比特的操作可以讓許多計(jì)算工作并行進(jìn)行。由兩個(gè)量子比特構(gòu)成的系統(tǒng)將可以用4個(gè)值來(lái)運(yùn)算，而由3個(gè)量子比特構(gòu)成的系統(tǒng)可以用8個(gè)值來(lái)運(yùn)算。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)根據(jù)比特位的確定狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算，因此運(yùn)算只能依次進(jìn)行。而量子計(jì)算機(jī)則有所不同。一個(gè)量子比特序列可以同時(shí)表達(dá)由“0”和“1”構(gòu)成的所有可能組合，這意味著計(jì)算機(jī)能同時(shí)嘗試所有可能的解，以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

不過(guò)，量子計(jì)算的一個(gè)有趣特性是，對(duì)量子比特的測(cè)量會(huì)導(dǎo)致其“坍縮”至一個(gè)確定狀態(tài)，即“0”或“1”，從而失去量子性。量子計(jì)算正是通過(guò)對(duì)整個(gè)量子比特序列的測(cè)量而得出結(jié)果。

許多量子算法都是非確定性的。這些算法可以并行地求出多個(gè)解，但只有一個(gè)解可以被測(cè)量，因此能以某一已知概率得出正確結(jié)果。進(jìn)行多次反復(fù)計(jì)算將提高求出正確解的概率，但這也削弱了量子計(jì)算的速度優(yōu)勢(shì)。

IBM的成績(jī)

大部分研究人員認(rèn)為，開(kāi)發(fā)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)仍面臨著許多困難。在《自然》雜志的一篇論文中，杰瑞·周的團(tuán)隊(duì)介紹了如何解決其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種方式，以檢測(cè)2x2超導(dǎo)量子比特點(diǎn)陣的錯(cuò)誤。

對(duì)任何計(jì)算機(jī)而言，如果已保存的數(shù)據(jù)存在錯(cuò)誤，那么計(jì)算結(jié)果必然也是錯(cuò)誤的。在使用晶體管制造的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，出錯(cuò)的可能性很低。當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，計(jì)算機(jī)也可以通過(guò)多種糾錯(cuò)機(jī)制來(lái)自動(dòng)修正。

量子計(jì)算機(jī)的情況有很大不同。杰瑞·周表示：“量子比特非常容易出錯(cuò)。它們可能會(huì)受熱量影響，可能會(huì)受環(huán)境噪音影響，也可能會(huì)受偏離的電磁耦合的影響。”

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)保存的信息只可能出現(xiàn)一種錯(cuò)誤，即比特位反轉(zhuǎn)，誤將“0”當(dāng)作“1”，或是誤將“1”當(dāng)作“0”。量子比特除了這樣的錯(cuò)誤之外，還會(huì)發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。一個(gè)量子比特的疊加態(tài)，即同時(shí)表達(dá)“0”和“1”的狀態(tài)，被標(biāo)記為“0+1”。相位錯(cuò)誤會(huì)破壞“0”和“1”之間的相位關(guān)系。

杰瑞·周表示：“0+1和0-1表達(dá)了兩種全然不同的信息狀態(tài)。我們可以將其視為一個(gè)球體內(nèi)的箭頭指向。你可以將指向南極視為‘0’，將指向北極視為‘1’，將指向赤道的一側(cè)視為‘0+1’，而將指向赤道的相反一側(cè)視為‘0-1’。而更復(fù)雜的一點(diǎn)在于，量子錯(cuò)誤的修正機(jī)制需要避免直接測(cè)量量子數(shù)據(jù)，否則會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的坍縮。”

IBM提出的新的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制基于一種被稱(chēng)作“代碼表面化”的技術(shù)。這一技術(shù)將量子信息分散在多個(gè)量子比特中。兩個(gè)表征量子比特被配對(duì)至兩個(gè)代碼量子比特，或者說(shuō)數(shù)據(jù)量子比特。一個(gè)表征量子比特用于反映，代碼量子比特是否出現(xiàn)了比特位反轉(zhuǎn)的錯(cuò)誤，而另一個(gè)表征量子比特則用于反映是否發(fā)生了相位反轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。通過(guò)這種方式，代碼量子比特不會(huì)被直接測(cè)量。

不過(guò)，對(duì)于實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，錯(cuò)誤修正只是需要解決的多個(gè)問(wèn)題之一。

更多的量子，更多的問(wèn)題

一名教授已在社交問(wèn)答網(wǎng)站Quora上列舉了量子計(jì)算所面臨的各種困難。其中之一在于相干性。衡量量子比特質(zhì)量的一個(gè)常見(jiàn)指標(biāo)是相干時(shí)間，即量子比特的量子性能維持多久。一臺(tái)性能健壯、功能完整的量子計(jì)算機(jī)需要有較長(zhǎng)的相干時(shí)間。目前距離實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)。2014年，新南威爾士大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一項(xiàng)世界紀(jì)錄，他們創(chuàng)造的兩種全新類(lèi)型量子比特能在35秒長(zhǎng)的時(shí)間里保持量子態(tài)。

“為了確保量子糾錯(cuò)技術(shù)能夠工作，你需要單個(gè)量子比特達(dá)到一定的質(zhì)量。”杰瑞·周表示，“為了讓這些單個(gè)量子比特越來(lái)越好，我們?cè)诓牧峡茖W(xué)、設(shè)備布局，以及實(shí)際處理器開(kāi)發(fā)方面還有大量工作要完成。”

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的材料或架構(gòu)。量子比特的制造方式多種多樣，其中包括離子阱。杰瑞·周團(tuán)隊(duì)采用的方法則是將硅材料中的電子打入超導(dǎo)電路。

為了實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的相干時(shí)間，量子比特需要與外部環(huán)境隔離開(kāi)，通常情況下還需要確保溫度低于零度。然而，這樣的隔離導(dǎo)致計(jì)算機(jī)難以得到有效的控制，因?yàn)榭刂埔馕吨孔佑?jì)算機(jī)將與外界環(huán)境發(fā)生接觸。同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制和相干性將帶來(lái)高昂的成本。

為了制造出相干時(shí)間長(zhǎng)的量子比特，澳大利亞研究人員利用價(jià)值10萬(wàn)美元的高頻震蕩磁場(chǎng)發(fā)生器操縱在硅晶體上植入的單個(gè)磷原子，并使用簡(jiǎn)單的電脈沖去改變?cè)又须娮拥念l率。研究者之一安德里·莫雷洛（Andrea Morello）表示：“因此，我們可以選擇去操作哪一量子比特。這就類(lèi)似于我們通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕去選擇接收哪一廣播電臺(tái)。這里的旋鈕是施加在原子上方微型電極的電壓。”

研究者隨后還對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，從而控制多個(gè)量子比特。上月，該實(shí)驗(yàn)室報(bào)告了硅晶體制造的最新進(jìn)展，這將極大地減少硬件開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本。

如何擴(kuò)大規(guī)模

然而到目前為止，在相干時(shí)間的限制下，研究者仍只能利用少數(shù)幾個(gè)量子比特進(jìn)行有限的量子邏輯操作。連接的量子比特越多，量子計(jì)算機(jī)行為類(lèi)似傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的可能性就越大。然而，如果不能集成大量的量子比特，一些復(fù)雜問(wèn)題就無(wú)法進(jìn)行求解。

杰瑞·周表示：“為了開(kāi)發(fā)類(lèi)似當(dāng)前處理器的量子芯片，我們還需要大量的工程開(kāi)發(fā)，以及對(duì)不同材料及這些材料在量子世界中的行為有更多的理解。”

另一個(gè)問(wèn)題在于，量子算法相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)求解速度更快的問(wèn)題類(lèi)型可能很有限。由于許多量子算法都是非確定性的，因此你需要一定的方式去驗(yàn)證，被測(cè)量的結(jié)果是否正確。例如，在計(jì)算一個(gè)大數(shù)的質(zhì)因數(shù)時(shí)，檢查結(jié)果很容易。但許多問(wèn)題的解并不是很容易驗(yàn)證。

即使在問(wèn)題的解得到驗(yàn)證之后，你可能還需要進(jìn)行多次同樣的計(jì)算，從而獲得正確的解。這也削弱了量子計(jì)算的速度優(yōu)勢(shì)。維也納的一些研究人員正在解決這一問(wèn)題。他們?cè)谟?jì)算過(guò)程中插入了一些簡(jiǎn)短的中間計(jì)算，而這些計(jì)算的答案是已知的。這將幫助用戶衡量量子計(jì)算的可靠性。其他量子算法則利用了干涉現(xiàn)象，從而提升單次運(yùn)算獲得正確結(jié)果的可能性。

IBM的杰瑞·周對(duì)于這些障礙的解決感到樂(lè)觀，尤其是在制造“邏輯量子比特”方面。邏輯量子比特基于物理量子比特，但不會(huì)丟失信息，且錯(cuò)誤已得到修正。“許多這類(lèi)問(wèn)題將在未來(lái)幾年內(nèi)得到解決，這將幫助我們實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特編碼。隨后，在這一邏輯層的基礎(chǔ)上，我們可以向真正的量子算法邁出一步。”

在此之后，所有計(jì)算機(jī)用戶，無(wú)論是科學(xué)家、加密專(zhuān)家、數(shù)據(jù)挖掘?qū)＜遥€是互聯(lián)網(wǎng)搜索用戶，與量子計(jì)算的距離都將更近一步。