人們所理解的經(jīng)典物理學是明確的、唯一的、擁有正確答案的，但量子力學卻充滿著模糊與不確定性。根據(jù)量子力學，經(jīng)典粒子在某一時刻的空間位
人們所理解的經(jīng)典物理學是明確的、唯一的、擁有正確答案的，但量子力學卻充滿著模糊與不確定性。
根據(jù)量子力學，經(jīng)典粒子在某一時刻的空間位置只有一個，而量子客體則可以存在空間的任何位置，具有波粒二象性;量子存儲器可以以不同的概率同時存儲0或1，具有量子疊加性。
1982年，諾貝爾獎得主、物理學家理查德·費曼(Richard Feynman)發(fā)明了一種依靠微觀粒子運行的超級強大的計算器。他稱他的想法為“量子”計算機，指的是亞原子層面上支配自然的法則。
與傳統(tǒng)計算機不同，量子計算機是建立在量子力學的原理上工作的。
因此，如果量子計算機的CPU中有N個量子比特，一次操作就可以同時處理2n個數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)計算機一次只能處理一個數(shù)據(jù)。例如，具有5000個量子位的量子計算機，可以在30秒內(nèi)解決傳統(tǒng)超級計算機要100億年才能解決的大數(shù)因子分解問題。
但在某一點上，它們與普通的“經(jīng)典”計算機相似：它們的設計者都希望它們跑得更快。
IBM的量子野心
近日，IBM發(fā)布了一張未來路線圖，表明了自己在量子計算領域的野心。
這條線所顯示的目標是每年將性能提高一倍，這樣量子計算機就能實現(xiàn)IBM所稱的量子優(yōu)勢，即量子計算機在一項任務上比經(jīng)典計算機更快或更高效，或者完成經(jīng)典計算機無法完成的任務。
IBM還提出了一個方便的單一數(shù)字來校準速度計，這種“速度計”是用一個叫做量子體積的數(shù)字校準的，它不僅測量量子計算機有多少量子比特——這是衡量其數(shù)據(jù)處理能力的關鍵指標——而且還測量計算機能從出了名的不穩(wěn)定量子比特中得到多少數(shù)據(jù)用量。
IBM的量子計算機在2017年達到了4量子體積，然后在2018年達到了8，現(xiàn)在其發(fā)布的Q System One(20量子比特)達到了16量子體積。
這種倍增似乎是摩爾定律(Moore's Law)的量子版。摩爾定律是英特爾(Intel)聯(lián)合創(chuàng)始人戈登•摩爾(Gordon Moore)對傳統(tǒng)電腦芯片指數(shù)級發(fā)展的著名觀察。
他認為，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔兩年便會增加一倍。
曾任英特爾CEO的大衛(wèi)·豪斯此后將這一說法轉變?yōu)椋?ldquo;預計每18個月，芯片的性能將提高一倍。”
摩爾定律數(shù)十年來一直被證明是正確的，但隨著處理器電路小型化的難度越來越大，它的地位正在動搖——這一現(xiàn)實使得量子計算作為該行業(yè)持續(xù)發(fā)展的一種可能方式變得更加重要。
IBM研究人員杰•甘貝塔(Jay Gambetta)和莎拉•謝爾登(Sarah Sheldon)在一份聲明中說:“要想在本世紀20年代取得量子優(yōu)勢，我們需要每年將量子體積至少增加一倍。”
IBM在2019年美國物理學會3月會議上公布了這一結果，該會議展示了量子計算在從物理研究轉向更實際的工程和計算機科學之前還有多長的路要走。
全球首臺量子計算機出自IBM
在近日的CES 2019展上，IBM展示了其最新的成果——全球首個獨立商用量子計算機Q System One，該系統(tǒng)是世界上首個專為科學和商業(yè)用途設計的集成通用近似量子計算系統(tǒng)。
IBM Q System One使通用近似超導量子計算機能夠走出實驗室，這可能是有史以來第一次。它由IBM科學家，系統(tǒng)工程師和工業(yè)設計師設計，具有精密，模塊化和緊湊的設計，在穩(wěn)定性、可靠性方面進行了優(yōu)化。
(圖源：IBM官網(wǎng))
這臺具有劃時代意義的量子計算機外形就像個古怪的吊燈。Q System One有一個外形尺寸高2.74米(9英尺)，寬2.74米(9英尺)，厚1.27厘米(半英寸)的硼硅酸鹽玻璃外殼，形成一個密封外殼。這個厚玻璃外殼用于減少振動和輻射，并幫助保持計算機接近絕對零度。
快速的超冷氣流被用來使量子位元保持在10微K，比外層宇宙空間還要冷。
“量子計算機內(nèi)部是地球上最冷的地方之一。” IBM的資深人員Bob Sutor說，“你現(xiàn)在看到的是世界上最貴的冰箱。”
Sutor說，為了保護機器內(nèi)部的量子位元，需要這種又冷又厚的玻璃。量子位元是如此的脆弱，以至于一個光子的光或者某人指關節(jié)的一擊就能摧毀他們的計算。
這臺量子計算機中的大多數(shù)配件都是為了保持芯片的低溫和穩(wěn)定而設計的。設計人員們還使用了不同形態(tài)的液氦來為機器降溫，使用了線圈還緩解設備內(nèi)部由于過冷造成的壓力。
五層像俄羅斯套娃一樣的外殼將計算機的核心包裹起來。IBM Q由許多自定義組件組成，這些組件協(xié)同工作，可用作最先進的基于云的量子計算程序。
此外，Q System One還配備了一系列獨立的鋁和鋼統(tǒng)一框架，也有解耦系統(tǒng)的低溫恒溫器，控制電子設備和外殼，有助于避免潛在的振動干擾。
由于這些機器非常脆弱，未來的任何量子計算都可能通過互聯(lián)網(wǎng)進行，從而使IBM能夠在自己的設施中仔細維護這些機器。
IBM已經(jīng)明確表示“IBM Q System One是量子計算商業(yè)化的重要一步”，并將于2019年下半年在紐約Poughkeepsie開設一家計算中心IBM Q Quantum Computation Center，擴展其商業(yè)化量子計算計劃。
“這感覺像是我們這一代人的太空競賽。”英特爾量子硬件主管吉姆•克拉克(Jim Clarke)表示。
量子計算領域研究進展
在量子計算機領域里，除了IBM，谷歌也一直被視為“領頭羊”。
2017年11月12日，IBM宣布成功研發(fā)出20量子位的量子計算機，并成功建成并測試全球首臺50個量子比特的量子計算原型機。
2018年3月，谷歌宣布推出一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone，實現(xiàn)了1%的低錯誤率，與9個量子比特的量子計算機持平。這僅僅比IBM曝光其50個量子比特量子原型機內(nèi)部構造遲了一周。
Bristlecone另一個重要特征是仍然可以進行經(jīng)典計算機模擬，這是目前驗證量子計算機是否正確運行的唯一方法(因為可以交叉核對答案)，而且可以在經(jīng)典計算機上實現(xiàn)加速。
Google的物理學家John Martinis表示：“從目前我們所知道的情況來看，我們非常樂觀。”Martinis說，如果一切運作良好，量子霸權可能會在幾個月內(nèi)實現(xiàn)。
業(yè)界公認當一臺量子計算機的可操縱量子比特超過50時，即可擁有超越經(jīng)典計算機的能力，實現(xiàn)"量子霸權"。
谷歌量子AI實驗室(Google Quantum AI Lab)的目標是構建可用于解決現(xiàn)實世界問題的量子計算機。谷歌量子AI實驗室指出，使用Bristlecone可以實現(xiàn)量子霸權，而且在這種水平上學習如何構建和操作設備會是一個令人興奮的挑戰(zhàn)。
由一位曾在IBM制造量子計算機的物理學家創(chuàng)立的Rigetti公司，盡管規(guī)模較小，但也對自己的研發(fā)能力抱有信心。
Rigetti的副總裁貝齊·馬西洛(Betsy Masiello)說:“人們一直在問，我們是否能夠建造出可以工作的量子計算機，并在規(guī)模上反復進行。”
“今天，在市場上，我們的回答是肯定的。我們可以制造它們，它們可以工作，我們可以在生產(chǎn)層面上以一種可重復的方式做到這一點。”
讓我們把目光轉回到國內(nèi)，2017年11月，由武漢大學物理科學與技術學院袁聲軍教授、德國于利希超算中心金豐平研究員、Kristel Michielsen 教授和荷蘭格羅寧根大學Hans De Raedt 教授組成的研究團隊聯(lián)合攻關，在中國國家超級計算無錫中心的超級計算機神威·太湖之光上實現(xiàn)了一系列通用量子計算機的模擬，實現(xiàn)45量子比特模擬。然后，在2017年12月，團隊再次取得突破，實現(xiàn)了46量子比特模擬，創(chuàng)下了當時的世界紀錄。
2018年7月3日，我國首次實現(xiàn)了18個量子比特糾纏，中國科學技術大學潘建偉院士及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調(diào)控6個光子的偏振、路徑和軌道角動量3個自由度，在國際上首次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀錄。
2018年年底，中國科學技術大學郭光燦院士團隊宣布，基于對半導體及超導量子比特的長期研究，成功研制出一套精簡、高效的量子計算機控制系統(tǒng)。這套被命名為本源量子測控一體機的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對量子芯片的操控并發(fā)揮其性能優(yōu)勢。
2018年12月6日，合肥本源量子公司發(fā)布我國首款量子計算機控制系統(tǒng)「OriginQ Quantum AIO」，并計劃在未來三年左右推出量子計算機原型機。
2019年2月6日，中國科學技術大學杜江峰院士團隊首次在室溫大氣條件下實現(xiàn)可編程量子處理器。該成果證明，量子計算可以脫離苛刻的運行環(huán)境，在常規(guī)環(huán)境中實現(xiàn)計算，并擺脫之前每進行一次運算就要改變硬件配置的模式，為量子計算的室溫研究開辟了新的道路。
阿里巴巴旗下研究機構達摩院和騰訊、百度等國內(nèi)科技巨頭也都在積極攻關量子計算領域難題。
量子計算機將何時到來?
具有強大處理能力的量子計算機，將對現(xiàn)有計算機體系產(chǎn)生強大的沖擊。
但科學家們預計，未來幾年量子計算領域將會有適度的優(yōu)越性展示，不過他們預計，這項技術要完成任何有意義的任務，還需要10年的時間。
中國現(xiàn)代國際關系研究院美國所學者李崢表示，量子計算機需要依托超導物質(zhì)、超導環(huán)境來實現(xiàn)并運作。而目前，幾乎任何一個國家都缺乏可實用的超導材料。雖然表面上各國在量子比特上存在一定差距，但實際上，量子計算技術都還遠未達到可以商業(yè)化的水平。
大洋彼岸的芝加哥大學同樣擁有量子研究機構，正在探索量子中繼器。該校教授戴維·奧沙洛姆(David Awshalom)表示：“我們還沒有做成，但我相信這將在未來幾年發(fā)生。
中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院副研究員張文卓表示，我國預計在2020年左右實現(xiàn)“量子霸權”的科學目標。
美國國家科學、工程和醫(yī)學學院發(fā)布的報告則認為，能夠輕松破解當前主流加密算法的量子計算機未來10年內(nèi)都不太可能出現(xiàn)，也很難預測何時會誕生實用型的量子計算機。
盡管IBM目前似乎領先一步，但這場比賽事實上才剛剛開始。展望未來，IBM想讓量子計算機如摩爾定律一樣迅速發(fā)展的野心是否能夠實現(xiàn)仍是未知數(shù)。
有人說，一旦量子計算機成功，世界上便再無算法，因為世界上只會有一種算法，那就是“窮舉”。
不妨一起期待一下那個充滿想象和機遇的未來，或許它就在明天。
