量子計算陷入難解困境，未來發展何去何從？

量子計算機在一些具體任務上的表現很快就能超越傳統電子計算機，但是在量子計算真正實現其巨大潛力前，依然需要克服許多基礎性的難題。

撰文 Philip Ball

翻譯 孫英特

審校 張夢茜 金庄維

編輯 魏瀟

在量子計算的可行性被質疑長達幾十年後，全世界範圍內忽然掀起了對於量子計算的追逐狂潮。兩年前，IBM 向公眾開放了一台只有 5 個量子比特的迷你量子計算機，被人們（有些尷尬地）稱為 IBM 的 Q 體驗。對於研究者來說，那更像一台玩具而不是能夠真正進行高強度數據運算的機器。不過，全世界依然有超過七萬用戶註冊並體驗了這一服務。截止目前，其量子比特數已經翻了兩番。 IBM 和英特爾公司分別宣稱他們建造了具有 50 和 49 量子比特位的量子計算機，谷歌也正伺機而動。「量子計算的科研圈子很有活力，並且最近也確實取得了巨大的進展，」來自柏林自由大學的物理學家延斯·埃斯特（Jens Eisert）說。

大家都在談論著實現所謂的「量子霸權」，即量子計算機執行某個任務的能力將超越最好的超級電子計算機。乍一聽到這個概念，再看看現有量子計算機中的 50 個量子比特和筆記本電腦裡面上百億的傳統比特，這種懸殊的差異，不免讓人覺得是天方夜譚。但是量子計算機的最大優勢就是每一個量子比特的運算能力都遠遠高於傳統比特。長久以來，大家都相信 50 個量子比特的量子計算機應該能夠解決讓傳統計算機束手無策的某些問題。在 2017 年年中，谷歌的研究人員宣布他們希望能夠在年末時證實量子霸權的存在。不過當被問及最新進展時，一位發言人說「儘管我們希望能夠儘快的宣布結果，但我們也需要認真審查工作中的所有細節，確保結果的可信度」。

現在的研究進展也許會讓人興奮地覺得所有的基礎和原則性問題都已得到解決，未來通往通用量子計算的道路上只剩下工程技術需要去實現。但遺憾的是，事實遠非如此。量子計算的基礎物理問題並沒有得到完全解決，而這些問題與量子計算的技術實現緊密相關。

即便我們很快能夠實現「量子霸權」這一里程碑，接下來的一兩年也將是檢驗量子計算機能否革新傳統計算領域的關鍵時刻。通往通用量子計算時代的道路仍然極為坎坷，需要多方的共同努力。

BM 的量子計算中心，Connie Zhou for IBM

量子計算機的本質

量子計算的優勢和所面臨的挑戰，都源於量子物理本身。很多人都嘗試過解釋量子計算的基本原理，但並不總能說明白它與經典計算之間的細微差別。經典計算機是通過一串二進位代碼 0 和 1 來編碼和操縱信息。量子比特所做的事情在本質上並沒有區別，只是它們能夠處在 0 和 1 的疊加態下。換而言之，當我們測量量子比特的狀態時，會得到一個一定概率的 0 或 1 。

為了用許多這樣的量子比特執行計算任務，它們必須持續地處在一種相互關聯的疊加態下，即所謂的量子相干態。這些量子比特處於糾纏之中，一個比特的變化能夠影響到剩下所有的量子比特。這就暗示了基於量子比特的運算能力將遠遠超過傳統比特。傳統電子計算機的運算能力隨著比特位的增加呈線性增長，而每增加一個量子比特位，則有可能使量子計算機的運算能力加倍（呈指數增長）。這也就是為什麼 5 量子比特位和 50 量子比特位的量子計算機有天壤之別。

值得注意的是，我從來沒有聲稱——儘管很多人這麼說過——相對於傳統電子計算機，量子計算機的優勢來源於疊加極大地增加了可以進行信息編碼的態的數量。我也沒有宣稱量子比特的糾纏性質允許許多運算得以平行進行。儘管這些說法在某種意義下有正確的成分，但是都沒有抓住量子計算的本質。

一個 50 量子比特位計算系統的中心結構Connie Zhou for IBM

為什麼量子計算機的計算能力如此強大？實際上，我們很難精確地給出一個定性的回答，因為科學家們難以精確解釋量子力學的含義。量子理論的方程確實表明，至少在大多數因式分解和資料庫搜索上，量子計算的運行速度相比傳統計算機有了極大提高，但這到底是如何提升的卻依然未知。

也許最保守的說法應該是，量子力學創造了一種傳統計算機所沒有的「計算資源」。正如來自於加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所的量子物理學家丹尼爾·戈茲曼（Daniel Gottesman）所說，「計算中應用了足夠多的量子力學，計算速度就會極大提高。沒有用夠，就沒有提高。」

不過有些事情是清楚的，在進行量子計算的時候，你必須確保所有的量子比特處於相干態中。這是一個十分困難的要求，因為量子相干系統會與它們周圍的環境相互影響，使得相干性迅速衰減，也就是「退相干」。研究者們所建造的量子計算機必須擁有能延緩「退相干」的能力，而目前相干性最多只能保持不到一秒。隨著量子比特數量的增加，保持相干態將變得越來越難，因為越多的量子比特數意味著系統越容易和周圍環境相互影響。這也在很大程度上解釋了，為什麼 1982 年費曼就提出了量子計算的概念，其基礎理論也在 90 年代早期逐漸成熟，但是直到最近才出現能實際進行計算的設備。

干擾和錯誤

實現量子計算還面臨著一項基礎性困難。和自然界的其它過程一樣，雜訊干擾無處不在。隨機波動、來自量子比特的熱能、甚至基本的量子物理過程都可能會改變數子比特所處的狀態，進而干擾到量子計算。這同樣也是影響傳統電子計算機運算的一個問題，不過解決辦法比較簡單有效：只要給每個比特位備上多個副本，這樣出現錯誤的那一個就會十分明顯，立刻被發現。

量子計算的研究者們找到了一些解決雜訊的辦法。但是這些辦法都需要消耗巨大的、甚至所有的計算能力，用於糾錯而不是運行你所需要的演算法。安德魯·柴爾茲（Andrew Childs），馬里蘭大學量子信息和計算科學聯合中心的主任之一評論道，「目前的編碼錯誤率嚴重限制了量子計算的複雜程度。如果我們想用量子計算機做一些有意思的事情，那在這方面必須做到更好。」

安德魯·柴爾茲（Andrew Childs），馬里蘭大學， byJohn T. Consoli

很多關於量子計算基礎理論的研究都集中到了編碼糾錯上來。這個領域的部分困難來源於量子力學的另外一個基本特性：觀測會破壞量子比特所處的疊加態，而使其坍塌到一個具體的值—— 0 或 1 上。那麼問題來了：如果你不能測量一個量子比特所處的狀態，你如何能夠發現它出錯了？

一個十分精妙的辦法就是將量子比特和另一個「附屬比特」聯繫起來，而附屬比特並不直接參与計算過程。如此一來，就可以通過測量「附屬比特」來得到主比特的信息，同時不會引起主比特的坍塌。但理論不等於實際。採用這種辦法，即建造一個能夠完成自我編碼糾錯的「邏輯量子比特」，意味著你會需要很多個實際的量子比特。

到底需要多少個？來自哈佛大學的量子物理學家阿蘭·阿斯普魯古茲克（Alán Aspuru-Guzik）預計在現在的技術水平下大約需要上萬個實際量子比特才能建造一個「邏輯比特」。這是一個天方夜譚的數字。當然他也承認，隨著技術進步，這一數字會大大減小，降低到只需要幾千個甚至數百個。德國柏林自由大學的埃斯特則沒有那麼悲觀，認為現在大約 800 個量子比特就能夠構建一個邏輯量子比特。不過即便如此，他也同意「自檢負擔還是太重。」 當下，我們還是需求尋求新的辦法去處理這些容易產生編碼錯誤的量子比特。

一種替代的方式就是去避免量子比特產生錯誤，或者消除錯誤帶來的影響。這種辦法被稱之為錯誤抑制演算法（error mitigation）。比如來自於 IBM 的研究者們就在開發新的辦法——從數學上計算出一次運算中究竟有多少編碼錯誤會產生，從而推斷出「零雜訊」極限下的計算結果。

一些研究者認為量子編碼糾錯是一個非常棘手的問題，而且會阻礙量子計算各種偉大目標的實現。來自以色列耶路撒冷希伯來大學的數學家吉爾·卡萊（Gil Kalai）說，「創造出真正的量子編碼糾錯比展示量子霸權要困難得多。」 並且他認為「沒有編碼糾錯能力的計算設備是非常原始的，而在這樣的計算設備上展示量子霸權是根本不可能的。」簡而言之，出錯的量子計算機，永遠比不過傳統計算機。

而另外的一些研究者則相信量子編碼糾錯的難題最終會被攻破，根據一位來自 IBM 湯姆斯沃森研究中心的量子信息學家傑伊·加貝塔（Jay Gambetta）的說法，「我們最近在 IBM 所進行的實驗展示了小型設備上的量子編碼糾錯的原型，也為在更大規模的設備上長時間穩定存儲量子信息打下了堅實的基礎。」 即使如此，他也承認「距離一個能夠使用邏輯比特位，進行編碼糾錯的通用量子計算機仍然有很長的道路要走。」這些進展讓柴爾茲保持一個謹慎的樂觀態度：「我相信我們很快就能看到優化的量子編碼糾錯的實驗展示，但距離真正的應用還有很遠。」

學會共存

目前為止，量子計算機都很容易產生編碼錯誤。問題是我們如何能夠和編碼錯誤「和諧」相處。在 IBM，研究者們正在談論近期內實現這一想法的一個可能方法——「近似量子計算」。也就是說去找到能夠適應、容忍噪音的演算法，能夠在噪音的干擾下，仍然得到正確的答案。

這就像是在大選中，我們能夠無視一些出錯的的電子選票，仍然得到正確的選舉結果。「一個擁有足夠大的計算能力和足夠高保真度的量子計算機，應當具備超越現有電子計算機的優勢。儘管它不一定能完全不受噪音干擾。」 加貝塔說。

Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine

現階段一個最有可能的容忍雜訊的應用，就是在原子層面上進行物質模擬（事實上，這正是費曼提出量子計算的出發點）。對科學家們來說，這更有價值。

量子力學的方程給出了一種計算物質性質的途徑，例如一個藥物分子穩定性和化學反應性。但是如果不做出諸多簡化，傳統計算方法對此無能為力。

相比之下，柴爾茲說，電子和原子的量子行為，「與量子計算機的計算原理更加緊密相關。」所以我們能夠構造一個具體分子的計算機模型。「包括我在內的這一領域的很多研究者都堅信量子化學和材料學將會成為這種計算設備最早的有應用價值的領域，」 阿斯普魯古茲克說道。他一直在竭力推動量子計算向這一方向發展。

量子模擬目前正在一些比較小的量子計算機上證明著自身的價值。一隊包括阿斯普魯古茲克在內的研究者們正在開發一種被稱之為可變數子本徵求解（variational quantum eigensolver, VQE）的演算法，能夠在有外界雜訊干擾的情況下找到一個特定分子的最低能量態。當然到目前為止，這種演算法只能夠處理只含有幾個電子的小分子結構，在這個大小下即便是使用傳統電子計算機也能夠得到準確的計算結果。加貝塔和同事於去年 9 月份使用 IBM 的 6 個量子位的設備去計算了諸如氫化鋰、氫化彼等小分子的電子結構。來自瑞士蘇黎世皇家理工學院的物理化學家馬科斯·雷勒（Markus Reiher）說「這是在量子領域具有跨越性的工作。」 加貝塔則表示：「使用 VQE 演算法模擬小分子結構，展示了近期探索性演算法的可能。」

但即便是這樣的應用，阿斯普魯古茲克承認，我們也需要能夠進行編碼糾錯的邏輯量子比特位，才有可能真正的超越傳統的電子計算機。「我非常期待，具備編碼糾錯能力的量子計算機成為現實的那一天。」

「如果我們擁有超過 200 個邏輯比特位，我們就能在量子化學上做到傳統計算機無法做到的事情。」 雷勒補充道。「如果擁有 5000 個邏輯比特位，量子計算機將為這一領域帶來顛覆性的改變。」

量子計算機的「性能」

儘管有很多挑戰，但是反過來講，不過一年量子計算機就從 5 個比特位跨越到 50 個比特位的巨大進步，著實給我們帶來了很多希望。但我們不能僅僅滿足於這些數字，因為它們只告訴了我們事實的一部分。真正重要的不僅僅是有多少個量子比特位（這甚至不是主要因素），而是量子比特的性能好壞，以及演算法是否高效。

所有的量子計算都必須在退相干效應發生並擾亂量子比特前完成。而在目前的條件下，一群預先組裝好的量子比特位會在幾個微秒內就發生退相干。在這麼短的時間內所能完成的邏輯操作的次數，取決於量子邏輯門切換的速度。如果這個速度過慢的話，有再多量子比特位也沒用。一次計算所需要的邏輯門操作的次數被稱為深度，很顯然低深度的量子演算法比高深度的演算法更容易實現和控制。但問題的關鍵是它們能不能承擔有意義的計算任務。

更重要的是，並不是所有的量子比特所遭受的雜訊都是一樣的。理論上一些材料的拓撲電子態能夠製造出低雜訊的量子比特。這些電子態的「形態」使得利用它們來編碼二進位信息的時候，有較強的抗隨機雜訊的能力。來自於微軟的研究者們正在一些特別的量子材料中尋找這些拓撲電子態。但到目前為止還不能保證這些電子態被找到或者能夠被控制。

來自於 IBM 的研究者們提出了一個「量子容量」（ quantum volume）的概念，用於描述特定設備的量子計算能力。這個數字會綜合考慮量子比特的數量和關聯性、演算法的深度、以及量子邏輯門的各項性能指標比如抗噪能力。加貝塔認為只有這樣的「量子容量」概念才能對量子計算機的計算能力有一個很好的表徵，並且他還認為當務之急就是發展能夠提升量子容量的量子計算硬體。

這也就是為什麼「量子霸權」這個概念比人們看起來更模稜兩可。50 量子比特位的量子計算機就能夠超越當今最先進的電子計算機，確實十分誘人，但同時也留下了很多值得深思的問題。量子計算機究竟在解決哪些問題上能夠超越電子計算機？在不能用傳統設備進行重複試驗和檢測的時候，如何知道量子計算機得到了正確的答案？你怎麼確定在有更優演算法的情況下傳統電子計算機不能做得更好？

所以我們應該謹慎對待「量子霸權」這個概念。現在更多的研究者傾向於使用「量子優勢」，用來指代量子計算設備所帶來的速度提升，而不是斷言哪種設備更優秀。此外，對於「量子霸權」這個概念的厭惡，還來源其隱含的種族和政治意味。

無論如何命名，展示量子計算機超越現有傳統設備，對這個新興領域具有重大的精神意義。埃斯特說：「確定清晰的量子優勢將是一個重要的里程碑。「 它將證明量子計算機確實可以大幅度擴展目前的科技邊界。

確認「量子優勢」更多的是具有象徵性意義，而不是真正引發計算領域的變革。不過，這件事情仍然非常重要，因為如果量子計算想要取得成功，不能僅靠谷歌或者 IBM 忽然之間出售一些高端機器，而需要開發者和使用者之間緊密的相互合作。只有在相信所有的投入都是有意義的情況下，使用者的各種配套技能才會取得快速發展。

這正是 IBM 和谷歌熱衷於向公眾開放量子計算設備的原因。在 IBM 的 16 量子比特計算機向所有的在線註冊用戶開放後，一個 20 量子比特的設備也已經向包括摩根，戴姆勒，本田，三星，劍橋大學等企業用戶開放。這不僅能幫助客戶們探索量子計算的優勢，也會建立起一個充滿量子計算開發者們的社群。他們將團結起來創造新資源並解決問題，完成任何一家公司都無法單獨做到的事情。

「為了讓量子計算真正發力和蓬勃發展，我們必須讓全世界都能去使用和學習它，」加貝塔說。「現在正是科研界和工業界努力為量子計算的時代到來做準備的時候。」

https://www.quantamagazine.org/the-era-of-quantum-computing-is-here-outlook-cloudy-20180124/

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