量子计算机是如何工作的呢？科学家们有望展示“量子霸权”

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你大概已经见识过薛定谔的猫了——就是处于既生又死的叠加态的猫。现在，让我们向薛定谔系的科学家们问好——这些研究者目前正处于某种既兴奋又畏惧的状态。

薛定谔著名的思想实验已经通过某种全新的形式进入了人们的生活，因为量子研究人员通过长期的探索，已站在一项成就的顶端：创造一台传统计算机无法匹敌的量子计算机。反对者坚称，量子计算机就是一个难以实现的科学幻想；量子研究人员耗费数年时间来反驳这个观点，现在，他们终于可以心安理得地自得于人前了。

但过度夸大进展的媒体报道也如潮水般涌来。例如，2014年2月17日《时代》杂志就公布了量子计算的特性，编辑们还在封面上宣称，这种“无限大的机器”（InfinityMachine）极具革命性，“有望解决人类面临的最复杂的问题”。从那以后，许多媒体的描述也变得同样夸大其词。

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科罗拉多大学波德分校的量子计算研究员格雷姆•史密斯（GraemeSmith）解释了该领域面临的难题。“过去，如果你从事该领域的工作，你会很乐观地告诉每个人它的光明前景。但情况发生了变化，现在，即便是像我这样的研究人员也无法相信媒体报道中所说的内容——量子计算机很快就能在瞬间解决每一个问题。对于量子计算机可以做什么这一问题，似乎被无底线地竞相夸大。”

人们之所以如此兴奋，是因为量子计算机有望在今年某个时候实现一项重要里程碑。在谷歌研究小组和IBM研究小组的竞逐下，科学家们有望展示“量子霸权”。这意味着系统将能够解决现有传统计算机因存储量或计算能力不足而束手无策的问题。

尽管标题党宣称“量子霸权”将使“量子计算的到来”不可避免，但它的成就并不会像主流媒体吹嘘得那么重大。首先，谷歌用来展示量子霸权的算法并未完成任何有现实意义的事情：研究人员设计的问题并未涉及传统计算机现有的计算范围。

构建可解决现实世界里人们真正关注的计算问题的量子计算机，需要多年艰苦卓绝的研究。事实上，谷歌和IBM的量子计算工程师们都表示，建造一台可解决最棘手计算问题的量子“梦想机器”仍需数十年时间。

即便到那时，业界人士也不会期望量子计算机可以取代传统计算机——尽管人们普遍认为，传统计算摩尔定律的失势将使量子计算机有机会一统天下。目前在所有的量子计算机设计中，都将它们与执行大量预处理和后处理步骤的传统计算机相匹配。此外，由于能首先让量子计算机顺利执行任务的软硬件才刚起步，目前传统计算机可快速执行的日常编程任务，在量子计算上可能会变得很慢。

“我认为，没有人会指望用量子计算机来取代传统计算机。”量子研究人员斯蒂芬•乔丹（Stephen Jordan）说。乔丹曾在美国国家标准与技术研究院（NIST）工作多年，并于最近加入位于华盛顿州雷德蒙德的微软研究院。也许，量子机器仅适用于某些具备巨大收益而传统计算机无法轻松处理的特定计算工作。

量子计算机的观点可追溯至1981年诺贝尔奖得主、物理学家理查德•费曼的一次演讲。他提出可使用亚原子粒子的特性来模拟其他亚原子粒子的行为。但该领域更好的起点是1994年彼得•肖尔（Peter Shor，曾供职于AT＆T贝尔实验室，现在麻省理工学院任职）的一篇论文，文中展示了一台量子计算机——假定人们可以创建一台量子计算机——如何能够快速找到大数质因子，从而破译常用公钥加密系统。这样的电脑基本上可以攻破互联网。

许多人都注意到了这篇文章，特别是涉及加密技术的美国安全机构，他们很快便开始投资量子硬件研究。在过去的20年里，该领域的相关投入已达到数十亿美元，而主要投资人就是政府。如今现有技术更趋近商业化，风险投资人也开始采取行动，这种情况很可能与目前对量子技术的大肆炒作有关。

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那么量子计算机是如何工作的呢？

给出一个简单易懂的答案十分不易，正因如此，2016年4月加拿大***贾斯汀•特鲁多像其他外行人士那样简单地回答了该问题，才会被封为极客英雄。在一次新闻发布会上，特鲁多解释说：“普通电脑……采用的是1或0，即二进制系统。而量子态可以在1比特中编入更复杂的信息。”这一解释很快家喻户晓。

如果特鲁多有更多时间，他可能会继续说，量子计算机的主要基本单元是“量子比特”——一个量子比特是一个量子对象，可处于无限多种状态，它们与测量量子比特时假定其处于两种状态之一的概率有关。任何具量子特性的物体（如电子或光子）都可以作为量子比特，只要计算机能隔离和控制它。

每个量子比特一旦在计算机内部形成，即遵从于可向其传递电磁能量的一些机制。为了运行一个特定程序，计算机精确按照脚本序列（例如微波传输）以特定频率和持续时间快速移动量子比特。这些脉冲相当于量子程序的“指令”。每条指令可使量子比特的未测定状态以特定方式演变。

这些脉冲操作不是仅在一个量子比特上进行，而是在系统内的所有量子比特上完成，通常每个量子比特或一组量子比特接收不同的脉冲“指令”。量子计算机中量子比特相互作用的过程称为纠缠；从某种意义上讲，这一过程与它们的未来相关。值得一提的是，量子研究人员已经找到了利用计算机内量子比特状态的连续变化来执行有效计算的方法。

程序完成后（亦即数千甚至数百万个脉冲发出后），量子比特的状态得到测量，揭示最终的计算结果。这会使每个量子比特变成0或1，即量子力学中著名的波函数坍塌。

量子比特必须与哪怕最微量的外部干扰隔离（至少是在计算完成前），若非如此，量子计算将是一项非常简单的工程。但要实现隔离困难重重，这也是为什么直到数年前，最大的量子机器也至多只有十几个量子比特，而且只能执行最简单的算法。

由于周围环绕的噪声，量子比特很容易出错。要解决这一问题，量子计算机需要备用量子比特。如果一个量子比特出现问题，系统会调动备用量子比特，使错误量子比特恢复到正确状态。

常规计算机也存在这种纠错过程。但量子系统需要的量子比特数量十分巨大。工程师们估计，要想获得一台可靠的量子计算机，所用的每个量子比特可能需要1000甚至更多的备用量子比特。由于许多先进算法需要具备数千个量子比特才能运行，因此一台实用的量子机器所需的量子比特总数（包括与纠错相关的量子比特）动辄达数百万。

两相对照，谷歌最新发布的量子计算芯片只包含72量子比特。这些量子比特对计算而言价值几何将取决于它们的易错度。

2014年，谷歌聘用了美国加州大学圣芭芭拉分校的一支团队开展量子计算机研究工作。2017年11月，IBM宣布成功构建了一台50量子比特的量子计算机。这两家公司，以及位于加州伯克利的初创公司Rigetti计算和英特尔（最近已宣布推出49量子比特阵列）所使用的芯片都经过了专门的设计，凭借其所含的超导电路回路而具备量子特性。这些芯片必须在极低温度下保存，因此需要建造有如好莱坞科幻电影道具般精致的壁橱般大小的冷却系统。

目前存在一种完全不同的量子硬件架构，其中所含的量子粒子，即离子，可悬浮于一个在室温下运行的系统中。杜克大学的物理学家金俊祥（JungsangKim，音）和马里兰大学的克里斯多夫•门罗（ChristopherMonroe）共同创立的初创公司IonQ（位于马里兰大学帕克分校）正致力于构建一台基于该方法、使用镱离子的机器。

微软正在推行第3种策略，即拓扑量子计算。它在理论上可行，但目前还不具备有效硬件。

这些系统没有一个与近年来收获最多公众关注的来自加拿大D-Wave系统公司的量子计算机平台接近。虽然谷歌和大众汽车等知名公司采用了D-Wave的机器，但量子研究领域的大多数人依然对这些设备持怀疑态度。这些科学家认为，传统计算机做不到的事情，D-Wave系统也不可能做到；并且还质疑，该系统是否真的实现了量子加速。

谷歌-IBM-Rigetti的超导战略似乎在这场硬件竞赛中一马当先，但人们尚不清楚哪种形式的硬件能够最终胜出；还有一种可能是这3种方法将会并存。量子程序员表示，他们并不在乎哪种设计能最终获胜，他们只希望能够发挥量子比特的作用。

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量子计算存在许多未知因素，其中之一是机器提供额外量子比特的速度有多快。随着传统计算机技术的发展，摩尔定律可确保晶体管数量每两年左右翻一番。但由于与量子机器相关的电子学十分复杂，目前还无法做出类似的预测。许多工程师预计，在未来一段时间内，我们将止步于量子比特数量相对较少的机器（可能只有数百个）。鉴于量子霸权的基本演示可能无法提供有用结果，而且需要许多年才能有成熟的系统出现，工程师们正将重点放在可在近期问世的小型量子系统中运行的算法上。

人们即将形成的共识是：虽然惊喜随时可能出现，但进展无法一蹴而就。

“那些声称量子计算机很快就能解决现实问题，或者声称利用量子计算机能赚大钱的人，我觉得他们都没有说实话。”加州大学圣芭芭拉分校的物理学家威姆•范•达姆（Wimvan Dam）说，“要想实现这些目标，你需要更大型的系统。但这并不意味着该领域目前的进展不令人激动。”

在麻省理工学院的彼得•肖尔开发了因子分解算法后的20年里，量子计算已与密码学息息相关。不过近年来，人们对破解互联网加密的担心有所缓解，这一方面是因为量子界已经意识到，要实现肖尔所描述的机器还有很长的路要走，另一方面是因为可抵御量子攻击的“后量子密码学”正在崛起。即使是现在，美国国家标准技术研究所还在评估后量子加密基础设施的各种候选方法。

本着费曼对量子计算的独到见解，研究人员并不完全局限于加密，而是倾向于使用计算机来模拟原子和分子。研究人员称，在美国国家标准与技术研究院的量子算法集中，物理和化学模拟算法最多，收益也相当可观。例如，可以想象一下接近室温的超导金属会是什么样子。

但也要注意不能过分夸大。据马里兰大学的物理学家兼计算机科学家安德鲁•蔡尔兹（Andrew Childs）预测，第一代量子计算机只能解决相对简单的物理和化学问题。“你可以适当地用少量量子比特来回答高分子物理学领域也能给出答案的问题，”他说，“但要想理解更多，比如高温超导性，就需要更多量子比特。”

尽管研究人员告诫不要对新生量子计算机过分乐观，但他们也并不排除未来的突破将能够实现用更少的能量来解决更多的问题。编程人员实践得越多，算法就会越优秀，这正是IBM将其量子机器放在网上供研究人员使用的原因。

“我可以在这张白纸上写下地球上所有量子算法研究人员的名字。这就是问题所在。”伯克利Rigetti量子计算公司的查德•里吉蒂（Chad Rigetti）说，“我们需要在算法上取得更大进展，要为数以万计的学生提供学习用的机器，这有助于推动该领域的发展。”

就这些学生而言，站在新时代的潮头，未来展现出惊人新发现的巨大潜力，这令他们甘之如饴。加州大学伯克利分校的物理系研究生丹尼尔•弗里曼（Daniel Freeman）表示，量子机器尚处于早期发展阶段是该研究领域的一个特点，而非缺陷。

他说：“我们身处的当口差不多相当于100年前传统计算的新生时期，甚至还未步入真空管阶段。但我认为这真是酷毙了。”