智東西 文 | CJ

CES2018上，英特爾keynote演講甩出49量子比特（qubits）超導量子計算測試晶元「Tangle Lake」，震撼全場，在爭奪量子霸權的路上，科技巨頭激烈廝殺，那麼量子計算的魅力究竟有多大，竟能引得谷歌、英特爾、IBM等科技巨頭紛紛「折腰」進軍呢？舉個例子，目前世界最強的超級計算機是神威·太湖之光，運算速度是每秒9.3億億次；而一台50量子比特的運算速度將達到每秒1125億億次，瞬間秒殺世界最強超級計算機。智東西帶你走進神秘而又充滿傳說的量子計算領域，看盡量子計算機這三十多年的發展歷程。

一、量子計算是什麼？

在經典計算機里，存儲的信息單位是比特（bit），比特使用二進位，也就是說一個比特表示的不是「0」就是「1」。

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但是，在量子計算機里，情況會變得完全不同，量子計算機的信息單位是量子比特（qubit），量子比特可以表示「0」，也可以表示「1」，甚至還可以是「1」和「0」的疊加狀態（superposition），即同時等於「0」和「1」，而這種狀態在被觀察時，會坍塌成為「0」或是「1」，也就變成了確定的值，其實也就和經典量子理論「薛定諤的貓」是一個道理（把一隻貓放到一個不透明的特殊盒子中，在打開盒子前，這隻貓既可能是死的，也可能是活的，打開後，兩種可能性才坍塌到其中一種）。除此之外，兩個量子比特還可以共享量子態，無論這兩個量子比特離得多遠，也就是所謂的「量子糾纏」（entanglement）。

量子比特的這種特性會帶來什麼好處呢？

理論上，2個量子比特的量子計算機每一步可以做到2的2次方，也就是4次運算，所以說，50量子比特的運算速度（2的50次方=1125億億次）將秒殺最強超級計算機（目前世界最強的超級計算機是神威·太湖之光，運算速度是每秒9.3億億次）。

說得再具體一點，拿《火影忍者》舉例的話，那就是佐助是經典計算機，鳴人是量子計算機，要找一個東西，佐助只能自己一個一個地方跑去找，也許要找一年。

但是鳴人可以分出5個影分身，然後5個影分身再分出5個影分身，分身的分身再分身，所有分身都同時去不同的地方，瞬間找到東西，然後分身收回，只剩一個鳴人，取回東西，完成。

雖說理論上來說，量子計算機計算能力驚人，但是量子計算機也存在致命的缺點，主要有兩點，這也是量子計算機一直發展緩慢的主要原因，第一是非常不穩定，需要低溫運行，第二是精度差，錯誤率高。

成也蕭何敗蕭何，量子計算之所以能達到如此神速，就是因為量子比特的疊加狀態和量子糾纏，但與此同時，量子疊加和糾纏狀態是極度脆弱的，不能受到一丁點干擾，量子計算機必須在極度低溫條件下工作，低到什麼程度呢？零下273攝氏度差不多吧，這就好比拿一根很細很細的針頂起一個雞蛋，稍有干擾，結果就會變得一片狼藉。

其次，因為量子比特的不穩定性，量子計算的精度也存在問題，保真度（fidelity）不高。保真度是什麼呢？打個不恰當的比方，就好像你拿100塊錢去銀行櫃檯存了又取，取了又存，來回幾次，最後取回來的錢卻只有60了，那保真度也就只有60%。

而且就算這些問題都可以得到解決，量子計算機對於處理日常任務並沒有什麼用處，對於普通人的生活影響不大。但在某些特殊領域裡，量子計算機有傳統計算機所不具有的能力，比如在化學和材料學裡模擬分子結構，還有處理密碼學、機器學習的一些問題，後文會詳細說到，在此不贅述。

二、科技巨頭混戰，量子霸權到底是真是假？

正因量子計算機有很多經典計算機所無法比擬的優點，目前谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭都已紛紛入局，搶奪高地。而這其中，「50量子比特」成為一個重要門檻。

2017年11月的《自然》雜誌採訪中，谷歌量子計算專家約翰·馬丁尼（John Martinis）提出，當一台量子計算機具有大約50量子比特的時候，其計算能力和速度將超過世界上任何計算機，能解決經典計算機所解決不了的問題。

因此，業內也將達到50量子比特的計算機稱為達到了「量子霸權/量子優越性（Quantum Supremacy）」，即50量子比特的量子計算機優於現在市面上的任何一台經典計算機。

那我們到底離「量子霸權」還有多遠呢？

一方面，科技巨頭們都宣布了不少量子計算領域的技術突破，不少媒體也對此加以渲染，稱他們離「量子霸權」只有一步之遙，而另一方面，客觀來說這些巨頭離達到量子霸權還很遠。

實現量子霸權的方式，即做出能超越經典計算機的量子計算機的方式有很多種，包括單光子量子計算、超導量子計算等。

英特爾這個月交付的49量子比特（qubits）超導量子計算測試晶元「Tangle Lake」，這塊晶元是英特爾與其學術界合作夥伴QuTech合作完成的，該款晶元是基於超導體，要求非常低的工作溫度約-273攝氏度。儘管如此，英特爾還在研究基於更傳統半導體的「自旋量子比特」。

據英特爾稱，自旋量子比較像一個類似於傳統晶體管的單電子晶體管。此外，英特爾還宣稱已經開發出一種在300毫米硅晶片上製造自旋量子比特的工藝。雖然英特爾的這款量子晶元非常值得肯定，但是，做出量子晶元和做出量子計算機是有區別的，做出了50量子比特的量子晶元也不意味著能做出50量子比特的量子計算機，而且量子計算機的計算速度也不僅僅是由量子比特數目所決定，同時還應該要保證量子計算機的精度和保真度。

谷歌是最早進軍量子計算機的公司之一，在2015年，谷歌約翰·馬丁尼團隊聯合NASA和加州大學聖芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱，谷歌當時還宣稱將要在2017年年底做成49量子比特量子計算機，不過很可惜，目前還沒有關於此事的消息。

2017年11月10日，IBM對外宣布，已經研發成功20量子比特的量子計算機，可在年底向付費用戶開放，同時，IBM還成功開發了一台50量子比特的原型機，但是IBM Q研究副總裁達里·奧吉爾（Dario Gil）表示，量子比特數量增加只是一方面，處理的量子比特數越多，量子比特之間的交互就會越複雜，因此，50量子比特的原型機雖然有更多的量子比特，這些量子比特的疊加態、糾纏態也會造成錯誤率很高的結果，無法保證精度和保真度，所以它不見得會比5量子比特的計算機更實用、更強大。

除此之外，各個巨頭還推出了一些量子計算機的開放平台，比如IBM在2017年推出了量子計算服務IBM Q系統（20量子比特量子計算雲服務），這個系統的前身是IBM在2016年開放的Quantum Experience系統（5量子比特量子計算雲服務），這兩個系統可以提供給用戶試用IBM公司所造的5量子比特和20量子比特的量子計算機。除了IBM，微軟也在2017年12月推出了自己的量子計算機開發包（Quantum Development Kit），可以讓用戶在其開放平台上，用專用量子計算機編程語言Q#進行編程。

除了科技巨頭的參與，初創公司的表現也非常亮眼，在2011年，加拿大初創公司D-Wave推出了具有128個量子比特的D-Wave One型量子計算機，這個初創公司吸引了很多人的眼球，它使用的是「量子退火」演算法（Quantum Annealing），但是，D-Wave One到底算不算真正的量子計算機還存在爭論，因為，雖然這種演算法確實實現了量子比特，但是量子比特之間基本沒有量子糾纏，所以嚴格來說不能算真正的量子計算機。不過，這款量子計算機確實在一些領域可以超越經典計算機。

國外巨頭和初創都在爭分奪秒的研發量子計算機，同時，國內大佬也坐不住了，在2015年的時候，中科院宣布與阿里巴巴旗下阿里雲共同成立量子計算實驗室，並於2017年5月宣布造出第一台光量子計算機。中科院和阿里的這個光量子計算機，實現的是10量子比特。

總的來說，真正的「量子霸權」不僅僅是光看量子比特數的競賽，就算做到1000量子比特，無法做到系統的可控性和可靠性，也算不得是量子霸權，這也是為什麼2015年時，谷歌實現9個超導量子比特的高精度操縱就足以讓全世界驚嘆。

三、量子計算理論和技術的發展歷程

了解了量子計算機領域激烈的巨頭混戰，那麼量子計算理論的發展又是怎麼樣的呢？

量子計算理論從首次提出到現在已經有三十多年，在1981年時，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）首次提出量子計算機的概念。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計算機能完成對數運算，而且速度遠勝傳統計算機，這也是在量子計算理論提出十多年後的第一次實驗。

自此，投資者開始發現量子計算機的可行性，也許量子計算機未必會有那麼多運算錯誤，也許可以嘗試造出一台處於穩定狀態的量子計算機。

隨後的十幾年，無數的資金進入量子計算研究領域，量子計算迎來了很多技術研究進展：D-Wave的量子退火、英特爾的硅量子點等等，這些研究成果都各有優缺點，但是都還沒有解決最根本的問題。現在主要的技術難點在於精確的實現量子比特的調控、兩兩之間的糾纏、維持它們的量子狀態等，也就是系統的可控性和可靠性。

技術上的瓶頸並沒有得到很好地突破，但是科技巨頭們依然在量子計算這條路上你追我趕，為什麼呢？主要原因在於現有的晶元線程越來越小（納米級），量子力學現象會成為計算機的Bug，這個Bug具體來說是這樣的，計算機裡面有很多晶體管，晶體管像一個開關控制電子進程，但是未來的元件做到納米級後，比如納米級的晶體管，那這個開關可能會失效，因為根據量子力學，電子可以直接通過納米級晶體管，到了那個時候，這就會是經典計算機無法解決的大Bug。

另一方面，因為經典計算機已經快要達到它的極限，其晶元越來越小，晶元的元件小到只有原子大小， 而且就算達到極限，經典計算機也解決不了未來可能會出現的許多問題。比如，優化問題，也就是從無數種可能性中找出最優的解決方法，經典計算機只能一個一個的去找，但是量子計算機可以並行運算，毫不誇張的說，經典計算機可能要算一年，量子計算機只用一分鐘就能搞定。

還有就是經典計算機在化學問題、生物問題上的無力。IBM實驗量子計算團隊經理——Jerry Chow曾在TED演講上舉過一個生動的例子，一個咖啡因分子，不如水分子簡單，但也沒有DNA或是蛋白質分子複雜，如果我們要用經典計算機來模擬一個咖啡因分子，世界上現有的任何電腦都不行，就算你做再多晶體管，做一個和地球一樣大的計算機，或者一個和太陽系一樣大的計算機，甚至是和銀河系一樣的計算機，都沒辦法模擬一個咖啡因分子，然而量子計算機卻可以做到。

總而言之，在經典計算架構發展瓶頸日益凸顯的當下，量子計算機被認為是計算領域最受看好的方向之一。

不過這個未來什麼時候才能來，誰都不清楚，也許十年以內不會到來，根據英特爾實驗室公司副總裁兼總經理邁克·梅伯里（Mike Mayberry）的說法：「我們預計這個行業將需要五到七年的時間才能解決工程規模問題，並且可能需要100萬或更多的量子比特才能達到商業目的。研究人員仍然需要弄清楚如何解決一些問題，包括糾正單個量子比特的脆弱量子態，將軟體演算法映射到量子硬體，建立局部控制電子學來控制量子系統並得到結果」。

結語、量子計算機將重造整個世界

量子計算之所以如此重要，除了因為它「快」，還因為它可以重新定義程序和演算法，顛覆眾多領域，例如：

軍事方面，一切現有的密碼學全都要被重新改寫，因為用量子計算機能輕易破譯所有密碼；醫學方面，量子計算機可以模擬人體內的各種化學分子，建立起醫學模擬的新模型；此外還有氣象學、材料科學等種種領域都面臨著量子計算的顛覆。

不過，目前我們離真正的量子計算機還有距離，現在，量子計算機還只是非常初步的階段，量子比特的脆弱、不穩定性還有低精度的問題還沒有解決，要實現實用量子計算機還有很長的路要走。

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