谷歌、英特爾、微軟紛紛下海

云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能……近年來科技領(lǐng)域的熱門概念層出不窮，大有“積硅步以致千里”的態(tài)度，而近期，有關(guān)量子計算的新聞不斷進(jìn)入熱搜排行榜，作為一個能夠讓谷歌、英特爾、微軟等科技巨頭趨之若鶩的概念，其究竟有何魅力能夠被贊譽為“真正的計算革命顛覆者”呢？

牛頓定律不再適用，量子計算究竟是何物？

從物理科學(xué)基礎(chǔ)上講一個電子不可再分的，不可能永遠(yuǎn)從90多納米到60多納米，到40多納米，到30多納米……將來能夠到零點幾納米甚至更小納米的層面。從科學(xué)的原理上來講，宏觀問題上，是按照牛頓三大定律主宰的，但到納米層面，牛頓定律不再適用，而會進(jìn)入一個新的科學(xué)，也就是我們經(jīng)常說的量子力學(xué)，描述的基礎(chǔ)就不一樣了。

量子計算是一種依照量子力學(xué)理論進(jìn)行的新型計算。量子的重疊與牽連原理產(chǎn)生了巨大的計算能力。普通計算機(jī)中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機(jī)中的2位量子位（qubit）寄存器可同時存儲這四個數(shù)，因為每一個量子比特可表示兩個值。如果有更多量子比特的話，計算能力就呈指數(shù)級提高。

“如果你認(rèn)為自己明白了量子理論，你就沒有明白量子理論”—參加過美國秘密研制原子彈“曼哈頓”計劃的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者費曼都說出了這樣的話，所以不要害怕自己沒弄懂量子計算原理，應(yīng)用才是王道。

計算能力幾何倍數(shù)遞增，為何需要量子計算？

PC性能過剩？消費領(lǐng)域個人PC或許存在這樣的問題，但商業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域顯然是PC性能不足。近年來，全球每年產(chǎn)生的數(shù)字化信息總量正急速增加，每過18個月，整個信息數(shù)據(jù)的容量將是所有歷史數(shù)據(jù)量的總和，如此龐大的數(shù)據(jù)量背后，需要以強(qiáng)悍的計算能力為支撐。以機(jī)器人為例，二十年前一個機(jī)器人會采用32個CPU達(dá)到120MHz的計算速度，而現(xiàn)在一臺機(jī)器人往往會采用2000個CPU、300個GPU，以強(qiáng)大的計算能力實現(xiàn)更快的反映速度及數(shù)據(jù)分析、處理能力。

傳統(tǒng)PC性能難以滿足未來計算的需要，而疊加（superposition）和糾纏（entanglement）兩個獨特的量子現(xiàn)象讓量子計算機(jī)擁有遠(yuǎn)比傳統(tǒng)計算機(jī)更強(qiáng)大的性能。量子疊加使量子比特能夠同時具有0和1的數(shù)值，可進(jìn)行“同步計算”（simultaneous computation）。量子糾纏使分處兩地的兩個量子比特能共享量子態(tài)，創(chuàng)造出超疊加效應(yīng)：每增加一個量子比特，運算性能就翻一倍。具體到計算能力上，以人工智能為例，人工智能如果只是加速，原來需要一千臺機(jī)器，或者需要一萬臺，現(xiàn)在（用量子計算機(jī)）可能四臺就可以了。

派系林立，科技巨頭們?yōu)楹胃髯詾閼?zhàn)？

科技巨頭英特爾、微軟、IBM，谷歌都在向量子計算投入千萬美元的研發(fā)資金。但是，他們在對不同的量子計算技術(shù)下賭注！沒有人知道，采用哪種量子比特（qubit）能造出有實用價值的量子計算機(jī)。

谷歌的超導(dǎo)量子研究：谷歌已制造出 9 量子比特的機(jī)器，并計劃明年增加至 49 量子比特。這是一個極為關(guān)鍵的門檻。學(xué)者預(yù)計，在 50 量子比特左右，量子計算機(jī)就能達(dá)到“量子霸權(quán)”（quantum supremacy），從而表明“量子計算機(jī)在一些領(lǐng)域有傳統(tǒng)計算機(jī)所不具有的能力”，比如在化學(xué)和材料學(xué)里模擬分子結(jié)構(gòu)，還有處理密碼學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)的一些問題。

點評：谷歌、IBM都傾向該派系，超導(dǎo)量子研究能夠利用現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施以快速奏效，但其技術(shù)特點易崩潰，必須保持低溫。

英特爾和硅量子點：英特爾在2015年向荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子技術(shù)研究項目QuTech投資5000萬美元，其專注于硅量子點技術(shù)（silicon quantum dots），它經(jīng)常被稱作“人造原子”。一個量子點量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態(tài)可以用0或1來表示。不同于離子或原子，量子點不需要激光來困住它。

點評：英特爾原本就對硅材料熟悉無比，穩(wěn)定的特性能夠利用現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)置，不過糾纏數(shù)量較少，必須保持低溫。

微軟和拓?fù)淞孔樱何④涍x擇的是基于非阿貝爾任意子（nonabelian anyons）的拓?fù)淞孔颖忍兀╰opological qubits），這些根本就不是物體，他們是沿著不同物質(zhì)邊緣游動的準(zhǔn)粒子（quasiparticles）。他們的量子態(tài)由不同交叉路線（braiding Paths）來表現(xiàn)。因為交叉路線的形狀導(dǎo)致了量子疊加，他們會受到拓?fù)浔Ｗo(hù)（topologically protected）而不至于崩潰，這類似于打結(jié)的鞋帶不會散開。

點評：除微軟外，貝爾實驗室也屬于該流派，有點事大幅降低計算過程中的錯誤，缺點是存在與否都還需要驗證。

D-Wave和量子退火：2007年，加拿大初創(chuàng)公司D-Wave Systems 宣布，他們使用16個超導(dǎo)量子比特成功制成量子計算機(jī)，但是D-Wave的機(jī)器并沒有使所有的量子比特發(fā)生糾纏，并且不能一個量子比特接著一個量子比特得編程（be programmed qubit by qubit），而是另辟蹊徑，使用了一項名為“量子退火”（quantum annealing）的技術(shù)。該技術(shù)下，每個量子比特只和臨近的量子比特糾纏并交互，這并沒有建立起一組并行計算，而是一個整體上的、單一的量子狀態(tài)。

點評：D- Wave并沒有攻克許多公認(rèn)的量子計算難題，比如錯誤修正（error correction），但包括谷歌和洛克希德馬丁在內(nèi)的幾家公司，購買并測試了D- Wave的設(shè)備，他們初步的共識是，D- Wave做到了一些能稱之為量子計算的東西。

ionQ和囚禁離子：ionQ的Chris Monroe正在試圖克服囚禁離子帶來的各項挑戰(zhàn)。作為量子比特，它們可以在幾秒鐘內(nèi)維持穩(wěn)態(tài)，這還多虧了真空裝置和在環(huán)境噪音影響下仍能將其穩(wěn)定的電極。但是，這些隔離措施意味著，量子比特之間的交互變得更難。Monroe 最近把 22 個鐿離子糾纏成一條線形鏈（linear chain），但至今，他還未能控制或查詢所有的離子對，而這是量子計算機(jī)必須做到的。

點評：囚禁離子技術(shù)的優(yōu)勢在于穩(wěn)定，并具有非常好的邏輯門和保真度，不過其運轉(zhuǎn)較慢，需要較多的激光配合。

總體而言，這五大派系是目前量子計算的主流，且每個派系都得到科技巨頭及資本創(chuàng)投圈的支持，誰最終會成為主流還有待時間考量。

精力有限，巨頭們也需要抱團(tuán)？

科技巨頭們會選擇不同的技術(shù)派系，一方面肯定與企業(yè)本身技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃有關(guān)，另一方面，這些習(xí)慣了“壟斷”的大佬顯然希望自己通過某技術(shù)派系拿到量子計算領(lǐng)域的話語權(quán)。但現(xiàn)實情況是沒有人對量子計算足夠了解，但每個團(tuán)隊都選了一個量子比特類型做研究，每種方案都需要不斷地優(yōu)化，擴(kuò)大規(guī)模，最終才能應(yīng)用于制造量子計算機(jī)。無論是制造基于超導(dǎo)體，還是硅的量子比特，都需要極高的連貫性和一致性。對它們冷卻的冷凍裝置也需要改善。囚禁離子需要更快的邏輯門，更緊湊的激光和光纖。拓?fù)淞孔颖忍厝孕枰话l(fā)明出來。簡而言之，要面對的挑戰(zhàn)太多，團(tuán)隊之間需要一定程度的相互合作、信息共享，才能加快進(jìn)度。

未來的量子計算機(jī)很可能是一個混合體，由超快的超導(dǎo)體量子比特對算法進(jìn)行運算，然后把結(jié)果扔給更穩(wěn)定的離子存儲。與此同時，光子在機(jī)器的不同部件之間傳遞信息，或者在量子網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點之間。

值得百年等待，量子計算究竟能用在哪里？

從量子概念的提出到當(dāng)下的摸索、實踐，量子研究已經(jīng)跨越了超過三個世紀(jì)、百年時間，據(jù)專業(yè)人士估計，按照現(xiàn)在的研究進(jìn)程，真正實現(xiàn)可編程的、通用量子計算機(jī)，可能需要30年甚至50年。當(dāng)然，其潛在的應(yīng)用價值也是不可估量的。

在金融、航天、生物基因、制藥等設(shè)計龐大、計算數(shù)據(jù)的領(lǐng)域而言，量子計算能極大縮短計算所需時間，并提供給更為詳實、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，當(dāng)然，它本身將成為大數(shù)據(jù)和人工智能的基礎(chǔ)支撐。

寫在最后：未來，可期

不明覺厲！或許對大多數(shù)人而言，這四個字很生動地形容了量子計算。如果說第一次量子深刻影響了晶體管和激光的發(fā)展，那第二次量子革命對人類一定是有巨大促進(jìn)的作用，數(shù)字化、智能化趨勢都需要量子計算的支撐，而各領(lǐng)域的變革與顛覆，最終會顛覆整個生活。