IBM Q 領跑「量子霸權」，但其背後是無數工程師的夢魘

五花八門的量子計算機如雨後春筍般出現，那麼它們可以用來做什麼呢？

圖 | 蒸汽朋克吊燈？並不是。這是世界上最先進的量子計算機之一的 IBM Q。

（攝影：GRAHAM CARLOW）

距離紐約市以北約 80 千米，在一個鬱鬱蔥蔥的鄉村中，一些精緻的管子和電子設備纏繞在小型實驗室的天花板上。這堆設備實際上是一台計算機。這台名為 IBM Q 的計算機不是一台普通的計算機，它可能即將成為該領域史上最重要里程碑的計算機。

量子計算機有著遠遠超出任何經典超級計算機性能的前景。它們可以通過在原子尺度上模擬物質的行為來發現新材料，還有著破解一些現階段不可破解的代碼的潛力——這將強烈地威脅現代密碼學和信息安全，甚至有希望通過更有效地處理數據來增強人工智慧。

然而，經過了幾十年平緩的發展，直到最近研究人員才終於構建出了一台量子計算機。這是一個被稱為「量子霸權」的里程碑。谷歌是這個裡程碑的領導者，而英特爾和微軟也有著很重要的貢獻。緊接著，一些資金雄厚的量子計算創業公司也出現了，其中包括 Rigetti Computing，IonQ 和 Quantum Circuits。

但是，在這個領域還沒有哪個競爭者能與 IBM 相提並論。從 50 年前開始，該公司在材料科學方面取得的成就奠定了現代計算機的基礎。這也是為什麼去年 10 月，IBM Thomas J. Watson 研究中心嘗試回答這些問題：量子計算機會對哪些問題有好處？我們真的可以創造出一個實用可靠的量子計算機嗎？

為什麼我們需要一台量子計算機

Thomas J. Watson 研究中心位於 Yorktown Heights，於 1961 年建成，看起來有點像想像中的飛碟。它由新未來主義建築師 Eero Saarinen 設計，並在 IBM 全盛期成為大型商用主機的製造基地。IBM 那時是世界上最大的電腦公司，而且在這個研究中心建成的十年內，它是世界第五大公司，僅次於福特和通用電氣。

雖然從建築內的走廊可以看到外面的鄉村，但所有辦公室裡面都被設計成無窗的。Charles Bennett 就在其中一間與世隔絕的屋子裡。他已經是一位七十多歲的老人，留著大片白色連鬢鬍子，穿著黑色襪子和涼鞋，還戴著帶有筆的口袋保護器。坐在舊電腦顯示器，化學模型以及奇怪的小迪斯科球中間，他回想起量子計算的出現的事，就像發生在昨天一樣。

1972 年，當 Bennett 加入 IBM 時，量子物理學已經出現了半個世紀，但計算仍然依賴於經典物理學和信息數學理論（由 Claude Shannon 在 20 世紀 50 年代在麻省理工學院建立）。Shannon 根據存儲信息所需的「比特」（這是一個由他普及但不是他創造的術語）的數量來定義信息的數量。這些比特，也就是二進位代碼的 0 和 1，是所有經典計算的基礎。

在抵達 Yorktown Heights 一年後，Bennett 建立了量子信息理論的基礎，這將挑戰資訊理論的一切，這個理論依據的是在原子尺度上物質的特殊行為。在這個尺度下，粒子可以同時處在許多狀態（例如，許多不同的位置）的「疊加」。兩個粒子也可以表現出「糾纏」的性質，也就是改變其中一個的狀態可能會瞬間影響到另一個的狀態。

Bennett 和同事們意識到，在量子現象的幫助下，人們可以有效地執行幾種指數型耗時甚至不可能的計算任務。量子計算機會將信息存儲在量子比特，或者叫 qubit 中。qubit 可以以 1 和 0 的疊加的形式存在，並且用糾纏和干涉效應來找到在指數量級狀態下的計算解決方案。雖然惱人的是很難類比量子計算機和經典計算機，但大體上講，只有幾百個量子比特的量子計算機能夠同時執行數量上比已知宇宙中的原子更多的計算任務。

圖 | 量子信息理論奠基人之一 IBM 研究員 Charles Bennett。他在 IBM 的工作幫助建立了量子計算的理論基礎。

1981 年夏天，在距離麻省理工學院校園不遠的法國風格大廈 Endicott House，IBM 和麻省理工學院組織了一次名為「計算物理第一次會議」的里程碑式活動。

當時，在草坪上坐著許多計算和量子物理史上最有影響力的人物，其中包括開發第一台可編程計算機的 Konrad Zuse 和量子理論重要貢獻者 Richard Feynman。Feynman 在會議上作了主題演講，他提出使用量子效應進行計算的想法。「量子信息理論最大的助推來自 Feynman，」Bennett 告訴我，「他說，"自然是量子的！所以如果我們想模擬自然界，我們需要一台量子計算機。"」

現存最有潛力的量子計算機之一，IBM 的量子計算機位於 Bennett 辦公室的大廳正下方。該機器被設計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。

理想與現實的距離

IBM 的機器利用超導材料中的量子現象。比如說，超導體中的電流將同時順時針和逆時針流動的現象。IBM 的計算機由超導電路組成，其中兩個不同的電磁能量狀態組成量子比特。

這種超導實現方案具有很多關鍵優勢。它的硬體可以使用現有成熟的工藝方法來製備，並且可以使用傳統的計算機作為控制系統。超導電路中的量子比特也比單個光子或離子更容易操控，並且對雜訊不太敏感。

在 IBM 的量子實驗室內部，工程師們正在研究一個具有 50 個量子比特的計算機。現在人們可以在一台普通的計算機上運行一個簡單量子計算機的模擬，但是對於大約 50 個量子比特的量子計算機就幾乎不可能了。

這意味著 IBM 理論上正在接近量子計算機可以解決而傳統計算機無法解決的問題：換句話說，量子霸權。

但正如 IBM 的研究人員所說，量子霸權是一個難以捉摸的概念。你需要全部 50 個量子比特才能完美工作，而實際上量子計算機卻被糾錯問題所困擾。在任何時間尺度內維持量子比特也非常困難; 他們傾向於「退相干」，也就是說失去其微妙的量子性質，就如煙圈在最輕微的氣流中分解一樣。而量子比特越多，這兩個問題的解決就變得越困難。

圖 | 量子計算的尖端科學需要納米尺度的精確度與家用電子產品的修補精神相結合。圖為研究員 Jerry Chow 展示一個 IBM 量子研究實驗室的電路板。

「如果你有 50 或 100 個量子比特，並且他們確實工作得很好，有完全糾錯能力，你就可以做一些「不可能的計算」，這些計算現在或以前都不能在任何經典計算機上複製，」耶魯大學教授，Quantum Circuits 公司的創始人 Robert Schoelkopf 說，「量子計算的另一面是它存在著指數級的出錯概率。」

另一個值得注意的原因是，即使是具有完美功能的量子計算機，其實用性可能也並不明顯。它不會簡單地加快你給它的任何任務; 事實上，對於許多計算來說，它比傳統機器要慢。迄今為止，只有少數演算法在量子計算機顯然具有優勢的情況下被設計出來。即使對於那些演算法，這些優勢也可能是短命的。最著名的量子演算法是尋找整數的質因子，由麻省理工學院的 Peter Shor 開發。許多常見的密碼方案都依賴於這個事實，即傳統計算機難以實現大整數分解。但是密碼學也可以做出改變，創造出不依賴分解的新型密碼。

這就是為什麼，即使接近 50 個量子比特的里程碑，IBM 的研究人員也熱衷於消除圍繞它的炒作。Jay Gambetta 是一位身材高大、性格隨和的澳大利亞人，他研究量子演算法和 IBM 硬體的潛在應用。「我們處在這個獨特的階段，」他說，「我們有比在傳統計算機上可模擬的複雜得多的設備，但它還不能精確地控制到可以運行任何你熟悉的演算法的程度。」

但讓 IBM 員工欣慰的是，即使是不完美的量子計算機也可能是有用的。

Gambetta 和其他研究人員已經注意到 Feynman 在 1981 年所做出設想的一個應用。化學反應和材料性質取決於原子和分子之間的相互作用，並且這些相互作用受量子現象的支配。量子計算機至少在理論上可以建立那些用常規方法無法模擬的化學材料模型。

去年，Gambetta 和他的同事們在 IBM 使用了一個 7 個量子比特的機器來模擬氫化鈹的精確結構。雖然只包含三個原子，但氫化鈹是用量子體系所能模擬的最複雜的分子。最終，研究人員可能會使用量子計算機來設計更高效的太陽能電池，更有效的藥物或是能將陽光轉化為清潔燃料的催化劑。

這些目標還有很長的路要走。但是，Gambetta 表示，或許可以從一台與經典計算機相當的容易出錯的量子機器中獲得有價值的結果。

圖 | 各種類型的量子計算方案

科學家的夢想，工程師的夢魘

「那些使大家認識到量子計算的噱頭實際上是真實的，」麻省理工學院一位說話溫和的教授 Isaac Chuang 說。「但現在，它不再是物理學家的理想，而是工程師的夢魘。」

在九十年代後期和二十一世紀初，Chuang 在位於加州阿爾馬登的 IBM 部門領導了一些最早的量子計算機的研究。雖然已經不再做這類研究工作，但他認為我們正處於一個非常重要的起點階段——量子計算最終將在人工智慧中發揮作用。

但他也懷疑，除非新一代的學生和黑客開始使用真實的量子計算機，否則革命不會真正開始。量子計算機不僅需要不同的編程語言，而且需要本質上不同的思維方式來編程。正如 Gambetta 所說：「我們並不知道量子計算機上的『Hello，world』是什麼樣子。」

但他們正在開始找出這種對應。2016 年，IBM 將一台小型量子計算機連接到雲端。使用名為 QISkit 的編程工具包，你可以在其上運行簡單的程序; 成千上萬的人，從學術研究人員到小學生，已經建立了運行基本量子演算法的 QISkit 程序。現在谷歌和其他一些公司也在將他們的新量子計算機聯網。你不能對它們做很多事情，但至少它們會讓前沿實驗室以外的人嘗試一下未來可能會實現的事情。

創業群體也越來越興奮。在多倫多大學的商學院量子創業公司的一場投資比賽上，一些企業家團隊嚴肅地站起來，向一群教授和投資者介紹他們的想法。一家公司希望用量子計算機來模擬金融市場。另一家計劃設計新的蛋白質。還有一家想要構建更高級的 AI 系統。但在這個房間里，沒有人注意到的是，每個團隊都在提出一項以一種還不存在的革命性技術為基礎的業務，幾乎沒有人對這一事實感到恐懼。

如果第一台量子計算機還需要很久才找到實際用途，那麼這種熱情就會很快消失。那些真正了解困難的人（如 Bennett 和 Chuang）的猜測是，第一批有實用性的機器還需要幾年的時間。並且這是在假設管理和操控大量量子比特的問題並不會最終被證明很棘手的前提下。

不過，這些專家們還是抱著很大的希望。當問到現在大約 2 歲大的孩子長大後量子世界會變成什麼樣時，通過玩微型晶元學會使用電腦的 Chuang 笑著回應：「也許這個孩子將有一個用於建立量子計算機的工具包。」

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