量子計算機就要來了 它真的能改變世界嗎？

在位於紐約市以北約50英里處僻靜鄉村中的一個小型實驗室內，天花板下纏繞著錯綜複雜的管線和電子設備。這一堆看似雜亂無章的設備是一台計算機。它與世界上的任何一台計算機都有所不同，而是一個即將開創歷史的里程碑式設備。

量子計算機的理論運行速度遠遠超出任何傳統的超級計算機。這種計算機或將使得人們在原子層面對物質狀態進行模擬成為可能，從而可以重塑新材料技術；它們也可以通過無窮的算例破解現有的任何加密演算法，重新定義網路安全；它們甚至能夠通過對海量數據的有效地處理來增強人工智慧的水平。

然而到現在，經過幾十年的逐步發展，研究人員終於離打造出真正的量子計算機無限接近了，其強大的功能足以打敗任何傳統意義上的計算機，這就是具有里程碑意義的「量子霸權」（quantum supremacy）。目前來看，谷歌在該領域一直處於領導地位，而諸如英特爾和微軟等公司也都在努力前進，而包括Rigetti Computing，IonQ和Quantum Circuits等有雄厚資金支持的創業公司也在迎頭趕上。

但是在量子計算領域，沒有誰能夠和IBM相匹敵沒。早在50年前，IBM在材料科學方面取得了成績就奠定了計算機革命的基礎。這就是我為什麼會在去年10月來到IBM的托馬斯?J?沃森（Thomas J. Watson）研究中心去嘗試尋找這些問題的答案：量子計算機到底有什麼好處？我們是否可以打造一款實用的，可靠的量子計算機？

為什麼說我們需要量子計算機

托馬斯?J?沃森（Thomas J. Watson）研究中心位於美國的約克敦海茨（York-town Heights），整個建築的外觀看起來有點像上世紀60年代的飛碟想像圖。這座建築由新未來主義建築師小沙里寧(Eero Saarinen)設計，並在IBM大型機業務的鼎盛時期建造。當時IBM是世界上最大的電腦公司，在研究中心落成的十年內，它已成為全球第五大公司，僅位於福特和通用電氣之後。

雖然站在建築物的走廊里可以看到鄉村景色，但所有辦公室都沒有窗戶。我在其中的一間密室里見到了這是在我遇見查爾斯?貝內特（Charles Bennett）的其中一間卧室里。現年70多歲的貝內特兩鬢斑白，身處舊電腦顯示器和各種化學模型的包圍之中。他回想起量子計算就像是剛剛發生在昨天一樣。

IBM研究中心的查爾斯?貝內特（Charles Bennett）是量子信息理論的創始人之一，其在IBM的工作為量子計算機創造了理論基礎

當貝內特於1972年加入IBM時，量子物理學的發展已經有半個世紀的歷史，但整個計算科學仍然依賴於經典物理學和克勞德?艾爾伍德?香農（Claude Elwood Shannon ）於20世紀50年代在麻省理工學院開發的信息數學理論。香農根據存儲數據所需的「比特」數量（這是一個他普及但沒有確定的術語）來定義信息量。這些比特，也就是二進位碼的0和1是所有常規計算科學的基礎。

在抵達約克敦海茨一年後，貝內特幫助奠定了量子信息理論的基礎，這將會挑戰傳統計算科學。它以原子尺度上物體的特殊性質為基礎。在這個微觀尺度下，粒子可以一次顯現出許多種狀態（例如，許多不同的位置），也就是「疊加」態。兩個粒子也可能表現出「量子糾纏」，因此改變一個粒子的狀態可能會瞬間影響到另一個粒子。

貝內特和其他人意識到，在量子現象的幫助下，可以有效地執行幾種耗時甚至不可能的計算。量子計算機會將信息存儲在所謂的量子比特，也就是量子位中。量子比特可以以1和0疊加的形式存在，並且可以使用量子糾纏和量子干涉來找到指數級大數據計算的解決方案。但是目前還難以比較量子計算機相比於經典計算機到底有多大的計算優勢，但粗略地說，只有幾百個量子比特的量子計算機能夠同時執行的計算量要比已知宇宙中的原子數量更多。

1981年夏，IBM和麻省理工學院組織了一次名為計算物理第一次會議（First Conference on the Physics of Computation）的里程碑式活動。會議在距離麻省理工學院校園不遠的法國風格大廈Endicott House召開。

從貝內特與會期間的一張照片中可以看出，計算科學和量子物理史上最有影響力的幾位大人物悉數出席了此次會議。其中包括開發第一台可編程計算機的康拉德?楚澤（Konrad Zuse）以及量子理論的主要貢獻者理查德?菲利普斯?費曼（Richard Phillips Feynman）。費曼在會上發表了主題演講，其中提到了使用量子效應進行計算的想法。 「對量子信息理論的發展幫助最大的就是費曼，」貝內特告訴我，「他說，』自然是量子的，該死的！所以如果我們想模擬它，我們需要一台量子計算機。』」

IBM的量子計算機，也是現存最有前途的計算機，就位於貝內特辦公室下面的的大廳里。該機器被用於創建和操縱量子計算機中的基本元素：存儲信息的量子比特 。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！