量子計算機：從空想到現(xiàn)實

從薛定諤的貓到今年的諾貝爾物理學(xué)獎的不開箱就能觀測貓的生死，量子計算機已經(jīng)從空想變?yōu)榱爽F(xiàn)實，而隨著IBM等商業(yè)機構(gòu)的發(fā)力，量子計算機時代正在向我們快步走來。

10月9日，諾貝爾物理學(xué)獎答案揭曉，來自巴黎高等師范學(xué)院塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）教授以及美國國家標準與技術(shù)研究院的大衛(wèi)·維因蘭德（David Wineland）教授共同分享了這一殊榮，他們兩人的獲獎理由是分別發(fā)明了測量和控制孤立量子系統(tǒng)的實驗方法。

在諾貝爾獎委員會的新聞稿中，兩位獲獎?wù)叩某删捅环Q為“為實現(xiàn)量子計算機奠定了基礎(chǔ)。”一時間，量子計算機也成為了業(yè)界關(guān)注的焦點。

薛定諤的貓和諾貝爾獎

對于普通人來說，量子力學(xué)是個深不可測的概念。不過，隨著最近幾年科幻題材電影電視劇的風靡，“平行宇宙”、“平行世界”之類的詞匯開始被頻頻提及，而它正是出自量子力學(xué)的相關(guān)概念。

想要了解什么是量子計算機，那么首先需要了解“薛定諤的貓”這個量子力學(xué)中的經(jīng)典假設(shè)。

1935年，奧地利著名物理學(xué)家，同時也是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的薛定諤設(shè)想出這樣一個實驗：一只貓被關(guān)進一個不透明的箱子里，箱子內(nèi)事先放置好一個毒氣罐，毒氣罐的開關(guān)由一個放射性原子核來控制。當原子核發(fā)生衰變時，它會釋放出一個粒子觸發(fā)毒氣罐的開關(guān)，這樣毒氣釋放，貓就會被毒死。

根據(jù)量子力學(xué)的理論，在實驗者沒有開箱進行觀測時，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態(tài)，換言之，箱子里的貓既是活的也是死的，對于普通人來說，很難理解“既生又死”這樣的狀態(tài)，但這正是量子力學(xué)研究的領(lǐng)域。量子力學(xué)針對的是在微觀環(huán)境下的物理現(xiàn)象，在這一環(huán)境中，大家中學(xué)時候?qū)W習的經(jīng)典物理學(xué)中的規(guī)律會突然失效，微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什么薛定諤的理想實驗中貓既能是活的也能是死的。

不過，一旦打開箱子，微觀實現(xiàn)就會出現(xiàn)“崩塌”，原子核的狀態(tài)就會確定下來，此時貓是生是死也隨之揭曉答案。

長期以來，由于不能實際觀測，量子力學(xué)僅僅停留在理論之上，而缺乏實踐的驗證。然而，今年兩位諾貝爾獎得主的成就正是在這方面取得了突破。他們各自通過精妙的實驗，使“測量和操控量子系統(tǒng)成為可能”，讓不打開箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當然，更重要的是，它也使量子計算機的實現(xiàn)變得不再遙不可及。

不再是空想的量子計算機

所謂量子計算機是基于量子力學(xué)基本原理實現(xiàn)信息處理的一項革命性計算技術(shù)。1982年，美國物理學(xué)家費曼在一次演講中提出利用量子體系實現(xiàn)通用計算的想法，當時他發(fā)現(xiàn)，分析模擬量子物理世界所需要的計算能力遠遠超過了經(jīng)典計算機所能達到的能力，而用實驗室中一個可控的量子系統(tǒng)來模擬和計算另外一個人們感興趣的量子系統(tǒng)會非常高效，量子計算機的概念也應(yīng)運而生。

量子計算機與經(jīng)典計算機不同之處在于，對于經(jīng)典計算機來說，其基本的數(shù)據(jù)單位就是一個比特，相對應(yīng)的一個比特不是0就是1，而對于量子計算機來說，一個比特可以同時表示0和1，這就意味著兩個比特就能表示00、01、10、11四種狀態(tài)。這樣，只要有300個量子比特，其承載的數(shù)據(jù)就能是2的300次方，這將超過整個宇宙的原子數(shù)量總和。簡而言之，量子計算機的運算能力將是目前經(jīng)典計算機所無法比擬的。

前面的表述未免抽象，舉一個形象的例子：目前最好的多核處理器能夠解密150位的密碼，如果想要解密一個1000位的密碼，那么需要調(diào)用目前全球的計算資源才有可能實現(xiàn)。但是從理論上講，一臺量子計算機在幾個小時內(nèi)就能解決這一問題。在量子計算機面前，目前世界上最復(fù)雜的密碼也會變得不堪一擊，這意味著互聯(lián)網(wǎng)上將不再有秘密可言，人類需要重新設(shè)立一套與現(xiàn)在完全不同的信息加密系統(tǒng)。

量子計算機的用處當然不只是破譯密碼，在大數(shù)據(jù)分析的時代，對計算機運算能力的要求正變得愈來愈高，從語義識別到人工智能，都需要倚仗計算機強大的運算能力才能完成，這也讓業(yè)界對于量子計算機的誕生充滿了期待。

不過，雖然理論上300個量子比特就能賦予計算機難以想象的運算能力，但現(xiàn)實與想象畢竟還存在不小的差距。根據(jù)清華大學(xué)交叉信息研究院助理研究員尹章琦的介紹，估算大概需要至少一萬個量子比特才能超越經(jīng)典計算機的計算能力，“因為我們需要對計算過程進行糾錯，所以需要很多個物理比特才能獲得一個可容錯的邏輯比特。估計需要大概一千個邏輯比特運行Shor算法來超越經(jīng)典計算機的計算能力，那么物理比特至少要高一個量級，甚至可能要高兩個量級”。尹章琦所從事的正是關(guān)于量子信息與量子光學(xué)的理論與實驗研究。

商業(yè)化的未來

在學(xué)界還在探討量子計算機可行性的時候，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)迫不及待開始了實踐。早在2001年，IBM就曾經(jīng)成功實現(xiàn)利用7個量子比特完成量子計算中的素因子分解法。

2007年，加拿大的D-Wave公司就發(fā)布了號稱全球第一臺商用量子計算機——采用16位量子比特處理器的Orion（獵戶座）。不過，Orion發(fā)布后迅速被業(yè)界潑了一盆冷水，業(yè)內(nèi)人士稱，Orion并不是真正意義上的量子計算機，只是具備了一些量子計算的特性。

去年，D-Wave卷土出來，發(fā)布了全新的產(chǎn)品——D-Wave One，這一次它的處理器達到了128量子比特，比前代產(chǎn)品大大提升，一臺售價高達1000萬美元。但是，由于D-Wave對核心技術(shù)三緘其口，學(xué)術(shù)界無法得知關(guān)于其產(chǎn)品的更多信息，質(zhì)疑之聲再起，因為目前能夠?qū)崿F(xiàn)10量子比特已經(jīng)是相當了不起的成就。

不過，即便質(zhì)疑不斷，D-Wave還是成功拿到了第一張訂單，外國媒體報道，美國知名的軍備制造商洛克希德·馬丁已經(jīng)購買了D-Wave的產(chǎn)品并且將其用在一些復(fù)雜的項目上，比如F-35戰(zhàn)斗機軟件錯誤的自動檢測。

不僅如此，D-Wave還在今年10月得到了來自貝索斯以及美國中情局下屬投資機構(gòu)In-Q-Tel總計3000萬美元的投資。貝索斯的投資邏輯顯而易見，隨著現(xiàn)實世界的不斷互聯(lián)網(wǎng)化，他的野心自然是通過深度挖掘和分析亞馬遜積累的海量數(shù)據(jù)創(chuàng)造出更大的商業(yè)價值，而量子計算機正是實現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)。

在D-Wave大出風頭的同時，老牌巨頭IBM也不甘落后，今年2月，IBM宣布在量子計算領(lǐng)域再次取得重大進展。新的技術(shù)使得科學(xué)家可以在初步計算中減少數(shù)據(jù)錯誤率，同時在量子比特中保持量子機械屬性的完整性。

IBM TJ沃森研究中心的物理信息主管Mark Ketchen表示，IBM目前已具備在一段足夠長的時間內(nèi)保持柵電極狀態(tài)的能力，“一旦數(shù)據(jù)差錯降低到足夠小，我們就能把許多柵電極組合在一起，從而得到一個完美的量子位，這表明我們已經(jīng)拿到了入場券，并可以開始真正制造一些東西了?！?/p>

當然，量子計算機要想真正實現(xiàn)還有很長的路要走?！傲孔佑嬎銠C的第二步是進一步提高量子比特數(shù)目到10這個量級，第三步就是到100乃至1000這個量級。第四步是實現(xiàn)可容錯的量子計算，最終就可以實現(xiàn)一個超越經(jīng)典計算機的量子計算機?！币络f，“目前我們剛剛走到第二步?！辈贿^，隨著像IBM這樣老牌巨頭的發(fā)力，以及貝索斯這樣投資人的介入，量子計算機的真正實現(xiàn)或許離我們已經(jīng)并不遙遠。