從硬件提升到算法迭代，正在發生的量子計算革命

本文是 Digital Trends 十周年慶 DT10 的系列文章的一篇，這個系列文章將描寫過去十年的科學技術對我們生活的改變以及展望。

【編者按】本文轉載自機器之心，來源：Digital Trends，譯者：吳攀、李亞洲、杜夏德

本文是 Digital Trends 十周年慶 DT10 的系列文章的一篇，這個系列文章將描寫過去十年的科學技術對我們生活的改變以及展望未來十年我們或將實現的技術。其涵蓋的領域包括了以及將包括人工智能、醫藥、太空旅行、社會結構、可穿戴、人機結構、虛擬現實、生物科技、語言等許多方面，其中本文關注的量子計算。

Winfried Hensinger 喜歡《星際迷航》。“那是從我讀小學開始的，”位于英格蘭的蘇塞克斯（Sussex）量子技術中心的這位主管說道”，“我想要成為企業號上的科學官，所以在我上五年級的時候我就決定要學習物理學了。”

而今天，他在量子力學的抽象概念上的日常工作甚至足以讓史波克豎起耳朵。

“（量子計算）對年輕人有很大的吸引力，”Hensinger 說，“因為它基本上就是科學幻想。”當他剛開始涉足這一領域時，它還主要局限在理論研究階段。而今天，最有前景的項目已經進入到了生產通用量子計算機的領域內——這種計算機在幾年前還和《星際迷航》一樣科幻。

“在計算機出現之前，我不得不學習在打字機上打字，”ensinger 笑著說，“當計算機出現后，生活真正發生了改變。而量子計算將會是一個類似的革命。當這個革命到來時，專注的科學家、數學家和工程師已經為此工作了數十年。但這到底是什么呢？啊，這里有一個故事。”

我們現在可以看到很多組織都在競相實現世界第一臺大型的通用量子計算機。

時代周刊在其 2014 年的封面故事《The Infinity Machine》中對量子計算進行了美麗的描繪：它有望解決人類一些最復雜的問題。它得到了亞馬遜創始人兼 CEO Jeff Bezos、NASA 和 CIA 的支持。每一臺造價10,000,000 美元并且在零下 459 度下運行。而且沒人知道它究竟是怎樣工作的。

隨著量子計算機從理論走向現實，其相關的領域也即將迎來爆發。我們將看到一些之前從未有人預想過的應用出現：從只有專家理解的科學實驗進展到這項技術的怪異和奇妙的應用方式，它將超乎所有人的想象力。

而這一切都要歸功于一只非常著名的貓。

量子的科學

想想這個：你正用來閱讀這篇文章的設備將信息存儲成了二進制數字的形式，其被稱為比特（或位，bit），每一個比特的值要么是 1，要么就是 0。一個標準的拉丁字母字符由 8 個比特構成，其也被稱為字節（byte）。帶有 8 個比特（每一個是 1 或 0）的字節可以整體用來指代任何字母數字符號。事實上，計算機所處理的一切，不管多么復雜，都可以對應成相應的比特串。

而量子計算機所處理的信息則是以量子位（qubit，也稱量子比特）的形式存儲的。一個量子位可以是 1 或 0 或這兩個狀態的任何量子疊加。這就有點復雜了。

量子疊加（quantum superposition）是科學家搏斗了幾十年的“量子怪誕性（quantum weirdness）”中的一個例子。簡單來說，它的意思是一個量子物體在其被觀測之前可以同時占據不止一個狀態——就像“薛定諤的貓”這個著名的思想實驗所指出的那樣。

量子計算機并不使用晶體管來追蹤二進制數據值，而是使用的量子物體。這也導致量子計算機的計算能力可以輕松超越傳統計算機。任何給定的量子值集合都可以表示比傳統的二進制數據遠遠更多的數據，因為它不需要將數據表示成 0 和 1 構成的數據串。

至少在理論上是這樣。盡管研究者在量子計算機可能的工作方式上已經達成了一致，但事實證明制造有效的硬件仍然令人難以置信地艱難，這方面也出現了很多分歧。

IBM 使用格型架構（lattice architecture）的 5 量子位處理器，其可以擴展成更大更強的量子計算機

現在，研究者已經能夠造出使用了少量量子位的系統了。這些計算機可以很好地用來測試硬件配置，甚至運行算法，但正如時代周刊所指出的那樣：它們貴得逆天（ungodly），而且只是研究者設想的最基本的版本。只有當數百個、數千個量子位可以共存時，量子系統才能實現其真正的潛力。

現在大家都在競相實現世界上第一臺大尺度通用量子計算機。這方面有兩個強大的但不同的競爭者，目前還不清楚其中哪種想法會首先成為現實。

從理論到實踐

當被問到量子計算的改變時，Hensinger 說：“這曾經是一個物理問題。而現在，它是一個工程問題。”盡管在量子計算機的可能工作方式上，我們已經有了清楚的理論理解。但要把它造出來卻不是一件簡單的事。

困難是多方面的，而且研究者在量子計算的基礎應該是怎樣上還沒有達成一致。但是，這方面目前有兩種并列的可能性。

一被稱為“超導量子位（superconducting qubits）”。這種實現方式依賴于超冷的電路，而且當芯片實現更大規模的生產時可以提供制造優勢。

被困于與中心的方形金芯片相隔 40 毫米遠的 2 個鈹離子構成了這個“囚禁離子”量子計算機的核心

另一種方法是“囚禁離子（trapped ions）”，這種方法對溫度等環境因素的要求較少，但卻存在其它挑戰，比如控制真空內許多單個的帶電原子。

“超導量子位和囚禁離子都是非常精華的方法，”Hensinger 說，“它們都是非常好的實現，而且它們都能實現量子計算機。”他和他在蘇塞克斯大學的團隊選擇了囚禁離子的方向——這是一個經過了非常慎重的考慮的決定。

“我密切調查了所有不同的實現和它們的進展，”Hensinger 解釋說，“我試圖了解它們的前景和它們的困難。”

他的調查表明囚禁離子的方法稍稍領先。囚禁離子與可能會摧毀量子效應的環境噪聲很好地隔離，Hensinger 希望這個優勢能讓這種技術更易于實現，以及更易于被其他人理解。

Winfried Hensinger（右側）是位于英格蘭的蘇塞克斯量子技術中心的主管

由 Hensinger 及其蘇塞克斯的團隊所發明的方法基于單獨受控的電壓，其被用于實現量子門（quantum gates），進而構成量子電路（quantum circuit）。這種方法和過去用囚禁離子實現量子門的方法（使用激光）有很大的差別，極大地簡化了構造大尺度量子計算機所需的工程。因此，這種方法仍然處在已經經過驗證的方法的范圍內，是通過模仿已有幾十年歷史的傳統晶體管架構，而不是完全從頭開始。

“有了這個概念，打造量子計算機就變得簡單多了，”Hensinger 說，“這也是我對囚禁離子非常樂觀的原因之一。”

蘇塞克斯量子技術中心的這個團隊選擇囚禁離子還有另一個更為實際的原因：它可以在室溫下工作。而超導量子位不行。

另一條路徑

IBM 是在新興的量子計算機領域角逐的最大型的公司之一，而其公司的體量也為其提供了優勢。首先也最重要的是資金問題，對于一家價值上千億美元的公司來說，做成一件事會比一個資源有限的學術組織要容易得多。

但資金并不是 IBM 唯一的競爭優勢。在該公司存在的這 105 年中，許多偉大的頭腦都曾在這里留下過印記——而且在一些情況下，他們的專業知識仍在發揮效力。該公司的人才和資源的組合優勢讓其選擇了超導量子位作為其研究的基礎。

IBM 的一個量子計算機的物理結構由5個配置在印制電路板中的量子位處理器構成。“它被安置在我們的稀釋制冷機（dilution refrigerators）的底部。”IBM 實驗量子計算（Experimental Quantum Computing）團隊經理（Jerry Chow）說，“如果你看過它們的照片，你就知道它們看起來非常大，就像啤酒桶。”

在這個“大冰箱”中，控制線將微波信號傳遞到芯片上，并且引導輸出信號穿過一系列放大器和無源微波器件。這些信息可以通過經典計算機進行解讀，從而讓該團隊可以在冰箱之外讀取該系統的量子位狀態。

“我認為超導量子位真的非常吸引人，因為它們是可以微型化制造的（micro-fabricatable）。”

IBM 的這套包含冰箱和所有的配套電子器件的設備占據了超過 100 多平方英尺的空間。這就是該技術的缺點。它需要非常非常冷，而制冷設備不易小型化。

但既然可以選擇囚禁離子，為什么還要這么麻煩？

“IBM 選擇超導量子位的原因或多或少是因為歷史的原因，”Chow 說，“我們有一個可以在使用約瑟夫森結（Josephson junction）的低溫經典計算上工作的程序。”具備必需的專業知識的研究者的興趣還在繼續，而當用于量子計算的超導電路的思路出現時，該公司之前在低溫研究上的成果就能幫助它旗開得勝。

原因還有更多。IBM 選擇的技術與其在計算機芯片開發上的專業知識非常吻合。“我認為超導量子位真的非常吸引人，因為它們是可以微型化制造的（micro-fabricatable）。”Chow 解釋說，“你可以在硅晶圓的計算機芯片上制造它們，也可以使用晶體管工藝那種標準的光刻技術來制作它們的模式，因此在這個意義上存在一種簡單的規?；姆椒?。”

Jerry Chow在IBM的T.J. Watson研究中心的量子計算研究實驗室

這些相似之處并不代表著 IBM 的量子計算機和你的桌面計算機之間的相似之處——它們的技術是非常不同的。但其制造工藝中的特定元素與今天普遍使用的技術有些類似。

IBM 和蘇塞克斯大學只是競相實現大型通用量子計算機的最終目標的許多組織中的兩個。但參與到該研究中的個人并不是在尋找什么值得吹噓的資本。他們想要創造歷史。

健康的競爭

對一個一直從事量子計算研究的科學家來說，最終的成品用的是囚禁離子還是超導量子位的問題沒啥好討論的。

“因為這就好像回到了 50 年前，當計算機大要占滿整棟房子時，問你想要一臺 Windows 個人電腦還是一臺 Mac，”Hensinger 說到。“其實我只想要臺量子計算機。”

囚禁離子和超導量子位是其中兩個最為領先的概念。

該領域已經見證了無數個研究團隊盡管在早期看到了希望但最終還是碰了壁。既然囚禁離子和超導量子位已經取得了領先，那么大尺度量子計算機的實現就能不必依賴一個特定的解決方案，這將對所有的相關研究團隊都有好處。

Hensinger 指出，“不同的團隊有不同的嘗試，這才是一個健康的氛圍。”雖然取得重大進步會帶來成就感，但是所有的研究發現都將與廣泛的科學社群共享，這樣這整個領域才能前進。

此時，蘇塞克斯大學的團隊正在將幾個不同的實驗融進一個功能齊全的系統中，這個系統能訪問少數量子位。這個項目有望在未來三到五年內完成。之后的目標就是一臺使用許多量子位的大型量子計算機，這可能需要15到20年，IBM在該項目上也有一個類似的時間計劃表。

這兩個研究團隊會在此期間作出更多的進步。“在接下來的這幾年，你將會看到相干時間提升，也會看到完全可控的量子位數量增加，”Chow 解釋道。

完美的量子計算還需要幾年，因此你無法知曉它能應用的所有領域。但是全世界的專家都在研究量子算法來看看量子計算的硬件可能會是什么樣子，最終的結果之多可能堪比這個硬件帶來的影響。

量子“軟件”

Krysta Svore 跟著 Andrew Wiles 學習數學的時候第一次接觸了量子計算。Svore 說道，“Wiles 說這是計算的一種模型——一種有潛力的計算機——可以真正的打破 RSA 加密。我們稱之為因子分解問題。”

Krysta Svore 管理著微軟的量子架構與計算團隊

她解釋說，“我主修數學，所以我非常著迷有這樣一臺計算機解決我們認為非常難得問題。”Svore 一頭扎入其中，如今她在微軟研究院管理著微軟的量子架構與計算團隊。她的團隊專注于軟件，但跨越了從特定量子算法的開發到軟件架構與工具箱這樣的基礎設施。

但什么是量子算法？它是干嘛的？

“在最高層次上，量子算法類似于傳統算法，是解決問題的一種處方（recipe），而這種處方的編寫總是依據數學。”

人的大腦能夠理解“尋找數字X的所有因子”這樣的問題，但計算機不能。即使要求計算機解決最簡單的等式也需要特定的二進制輸入。然而二進制編碼是低效的，所以在傳統計算機上程序員使用 Python 或 C 這樣的計算機語言縮減之間的差距。

代碼語言已經取得了極大的進步，讓大部分程序員能在不接觸原二進制輸入與輸出的情況下工作。完整的算法經常用代碼寫進編程語言中，所以通過輸入適當的 reference 就可使用這些算法。

如今，所有的編程語言都會將指令轉譯成二進制的機器代碼。因為這些代碼不是量子計算機能使用的，所以對編程一臺量子計算機而言它們是無用的。這也就是Svore和她的團隊要做的事，開發出一種有效的新語言。

量子軟件得到關注是不可避免的，這樣該領域才不會在硬件問題得到了解決之后碰壁。

Svore 說，“我們已經為量子計算特意開發了一個編程語言，我們的語言和工具叫做 LIQUI|>，它能讓我們表達這些量子算法，然后進行一系列的優化、匯編，并將語言指令重新編寫進特定設備的指令。”

微軟有自己的平臺，但全球的研究團隊都在使用類似的流程。Dorit Aharonov 是希伯來大學的教授，她對量子硬件上運行的算法的描述類似于Svore的處方類比。

她解釋說，“算法是計算機運行的一系列步驟，它要是高效的，需要盡可能用少的步驟完成這些任務。重點是量子算法要能比傳統算法更快的完成特定的運算，因為它們有能力以指數的方式一次性探索眾多可能。”

所以，如果算法是被用于運算的一系列步驟，量子算法就是專門設計的類似的一系列指令，用來掌握量子對象的計算能力。然而，在軟件與硬件之間的關系中有另外一種復雜性，沒有大規模的通用量子計算機，對研究量子算法的研究員而言很難保證他們的研究方向是正確的。

如今，要關注量子軟件是一件非常緊急的事，這樣該領域才不會在硬件問題得到了解決之后碰壁。在很多情況下，硬件和軟件研究項目是要同步的。

量子代碼

廣義上來講，量子算法是量子計算機硬件的軟件，但這一類比也就只到此為止，在硬件仍不穩定的情況下，量子算法的開發可以鼓舞量子計算機的開發，反之亦然。

微軟研究院在與哥本哈根大學、荷蘭的代爾夫特大學、悉尼大學這樣的世界級團隊合作，所以它的硬件位于全世界多個學術實驗室。Svore 說，“我們定期拜訪這些實驗室，整體上我們像是一個虛擬的團隊，因為一些最好的資源是遍布全球的。”

和物理硬件一樣，量子結構與計算團隊有權限模擬傳統系統上運行的量子計算。“這使得我們能夠調試量子算法，測試并設計新的量子算法、量子回路和子程序。”Svore 說，“在真正的運行之前，我們想要在模擬中測試盡可能多的設備設計與算法設計。”

這種模擬測試為該團隊提供了巨大的優勢。Svore 和她的合作方在需要的時候能對算法進行測試與迭代，從而使得硬件團隊看到量子計算機如何在實踐中可被應用。但如同你所想的那樣，在傳統計算機上模擬量子硬件有所缺陷，Svore的團隊使用的虛擬設備大約為32 GB RAM 模擬30量子位，每增減一個量子位，內存就要翻倍。

微軟并不是唯一一個通過應用來測試其量子成果的大公司。今年早些時候，我們看到了IBM 的量子體驗項目，這是一個允許學者和愛好者使用 5 量子位系統的在線接口。

IBM 的量子體驗讓用戶能夠從一個基于云的平臺那里運行算法和實驗

IBM 的 Chow 說，“我們想要建立一個社區，進一步發展該領域。我們認為，隨著我們使得這些量子處理器變得更大更功能性，在某個時刻，每個人都會有能力在新的實驗室中進行量子體驗。我們想要向人們展示這些處理器與系統的質量，也使得人們能在上面進行研究，加速量子計算研究領域的創新。”據 Chow 而言，用戶已經使用IBM量子體驗進行基礎的量子力學測試、簡單的錯誤檢測協議、相比于模擬實驗觀察噪聲水平。該項目提供了通向有效硬件的前所未有的道路，對希望進入該領域的學生而言這也是一個巨大的福利。

Chow 也說道，“從教育角度來說，這是一件大事。我們能夠讓處于量子計算課程與量子力學課程之間的學生接觸量子體驗，讓他們進行更多的思考，在一個在線系統上驗證課程上學習到的內容。”了解到該工具將服務各個水平的用戶，IBM 團隊在盡可能的把該系統變得更受歡迎。

Chow 解釋說，“我們想要一個視覺上的吸引力，視覺震撼上的體驗。這也是為什么我們做了一個 Composer 工具，我們想與音樂有個類比。”該工具是用來創造量子樂譜文件，看起來就像一個音樂譜子。五線譜對應計算機的五個量子位，用戶能拖放不同的門和運算。

Chow 說，“在實際運行之前，你可以視覺體驗量子項目看起來怎么樣。”音樂演奏與量子計算機之間的對比在該領域是很普遍的，所以召喚更多的非專業人士進入該流程這是非常合適的一種方式。“就時間意義而言，這是一個很好的類比，也很好的類比了量子運算的順序。所以，從此看來它真的像是一個音樂譜。”

如果你覺得自己沒能力用到量子計算機，不要覺得自己被排除在外了。到2016年，世界上也只有極少比例的人能接觸到量子計算機。如今用過這樣系統的大部分人可能都是心驚膽戰的。這也是Svore這樣的工程師想要改變的事。設計出的 LIQUI|> 平臺為該領域的人提供了與量子硬件更直接的交互方法；IBM 的量子體驗向每個人開放硬件，無論用戶對底層概念很熟悉，還是只是對該技術感興趣。

和 1950 年代早期的計算機一樣，今天的量子計算機要占據一整個實驗室

在硬件向著大規模通用系統持續發展的同時，這些工作也在幫助將更多天才的頭腦吸納到這個領域內。這些早期的軟件開發工作希望構建一個有興趣且有技能的程序員受眾，讓他們可以直接用上量子計算。

他們將會做出怎樣的應用？這里有無窮的可能性。但為了了解這個領域目前的狀態和未來的趨勢，我們需要了解一下最早引發對量子計算的興趣的算法。

匹茲堡卡耐基梅隆大學計算機科學學院的 Ryan O’Donnell 說，“Shor 的算法無疑是量子計算機中最有名、最驚人的應用。真的，它是該領域的主要靈感。”

只要有計算機，無論是人的還是電子的，都會要求找到給定數字的質因數。數字較小、易管理時這還不難，但數值越大，求質因數的過程越復雜。

“如果能建立一個全尺度的量子計算機，就意味著能破譯所有的密碼。”

O'Donnell 說，“我說的是極其大的數字，有著數千位的數字。計算機很容易算到兩位萬位數字的乘積，只需要幾納秒。但我們還沒有高效的算法解決逆向難題，找到一個極大數字的因數。”

高效一詞很關鍵。有一個算法能夠求解大數字的因數，但不幸的是它還不足以說是高效。它求解 1 萬位數值的因素所花費的時間，宇宙能完全演化一個周期。計算機即使再快 10 倍、100 倍也毫無用處，所以我們需要全新的計算機。

O’Donnell 說，“199年，Shor 展示了一個量子計算機算法，能夠高效的求解大數字的因數。”從此之后，它就成為了該領域發展的一個標尺。

2001 年，IBM 使用一臺7量子位的量子計算機求解了15的因子3和5。2012年，一個研究團隊求解了21的因子。然后到了2014年，一種被稱為極小化算法（minimization algorithm）的前沿方法成功求解了56,153的因子。

卡耐基梅隆的 Ryan O’Donnell 說量子計算機能解決現有的每種密碼學

O’Donnell 還說道，“除了現實意義，Shor的算法在數學上也很具美感。它啟發的許多人尋求超快的量子算法解決其他在常規計算機上無法解決的計算任務。”

如同你能想象的，尋找這樣的任務需要一定的抽象思維，以及對相關概念的極大掌握。為仍處于積極開發階段的計算形式尋求應用不是一件小事。

O’Donnell 說，“在量子計算機建立起來之前，有人可能想知道做這些事的意義。這讓我想到了Ada Lovelace和Babbage的Analytical Engine的故事。”這是出現在19世紀50年代的通用物理計算機的假設。“Ada Lovelace 在 Babbage 的計算機上設計了解決特定數學難題的著名算法，那是在我們能造出這種計算機的 100 年前。”

應用算法

很難明白過去一個量子算法的抽象性質以及這些概念是如何被應用來解決現實世界中的問題的，尤其是如果你不懂數學。幸運的是 Shor 的算法能展示量子計算機產生的結果，或者說后果。

NASA的512位Vesuvius處理器被冷卻到20 millikelvin

想像一下 Shor的算法正在一臺傳統計算機上運行。就像前面提到過的，10000位數的因式分解，要花上幾千年才能算出來。“即便聽上去有點入讓人失望，但是有一點還是令人安慰的，”O’Donnell 說。“幾乎所有的網絡安全和密碼都依賴于計算機能在一個確切的時間內做出 10000 位數的因式分解。”

如果真的能造出實體的量子計算機，那真的很難猜測它對密碼安全意味著什么。“我們有可能造出一個全面的量子計算機，這就意味著計算機幾乎能破解所有的密碼。”O'Donnell 補充道。

當然，以目前該領域領先的研究來看，還遠不能造出一個全面的量子計算機，所以黑客集團沒有攻克所有密碼不是因為他們不想，而是沒那個能力。但是這也揭示了量子計算機出現后能產生的影響有多么深遠。“目前還很安全，”O’Donnell 說。“但是國家安全局已經建議在不遠的未來每個人都應該放棄基于因式分解的加密技術，正是因為量子計算機很有可能真的出現。”

“大部分人正在從針對量子技術尋找一個經典的加密技術來研究后量子密碼學（post-quantum cryptography），”Svore 說道。“現在的研究焦點是找到比RSA更強大的東西。下一代會是什么？我們知道 RSA 在量子計算機面前不再有用——那其他的呢？”

它能完全模擬任何任意的系統。那才是最重要的事情。

量子硬件的另一個直接應用是進一步研究其他領域的科學。“它能夠完全模擬任何任意的系統，”Winfried Hensinger 說。“那才是最重要的事情。”

傳統系統的有限計算能力意味著一個模擬模型特定元素一定達不到它的最佳精確度。“它與量子計算機之間的差別是你不必再制造這些近似值了，”Hensinger 繼續說到。“你只要模擬整個系統就好。”

這可以為那些依賴模擬來收集數據的研究項目帶來影響深遠的優勢。確實如此，我們在這類使用上看到了富有意義的進展。7月，谷歌宣布它的量子設備已成功地計算了氫分子的電子結構。

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