量子計算機的前世今生

D-WAVE量子計算機

編譯 樟君

我們所使用的計算機正變得越來越小巧，其功能卻是越來越強大。這一刻你握在手裡看這篇文章的手機，它的計算能力都要遠遠超出50年前那台著名的、有整間屋子那麼大的軍用計算機。儘管計算機已經進化得相當驚人了，但仍然有許多複雜的問題，它無法解決。目前計算機的開關和存儲器單元是由半導體晶體管構成的，它的大小已經接近單原子水平。計算機正在接近它的技術極限。如果想要得到比現在更小且功能更強大的計算機，那麼計算方法必須發生根本性的轉變。而這個轉變的關鍵就是採用單個原子或更小的粒子做為媒介，實行量子計算。它的計算能力比目前最強大的計算機還要強上幾百萬倍。為實現這樣的強大的計算能力，我們面對的困難也不小。漫步在量子理論的奇幻世界，你會發現，我們現實世界的一切常識性經驗都會被顛覆。這究竟是一個怎樣的世界呢?

為了便於區分，我們稱呼目前使用的計算機為經典計算機，以原子或更小的粒子做媒介的計算機為量子計算機。有兩件事情經典計算機做的非常出色，那就是數字存儲和對存儲的數字進行簡單的數學運算，而且它還可以把一系列簡單運算串成複雜的運算，我們稱之為演算法(algorithm), 比如乘法運算就是通過一系列加法運算實現的。計算機的存儲和運算都是由半導體晶體管的開關過程完成的。晶體管只做兩件事：開或者關，我們用 「開」，存儲數字1，用關，存儲數字0。每個0或1代表一個二進位數字(比特)。計算機通過邏輯門電路進行計算。邏輯門由一系列晶管連接起來共同完成一項邏輯任務。邏輯門可以用來比較比特模式，並把他們存在臨時存儲器，即寄存器中，再按照程序指令轉換成新的比特模式。這是不是很像我們的大腦在做的事?數學上所謂的某個演算法，在物理上，就是通過一系列邏輯門構成的電子電路實現程序所設定的邏輯運算。

1947年，當晶體管剛剛問世時，一隻晶體管大概有拇指大小，而現在，大規模集成電路技術可以在指甲蓋大小的硅晶片上集成上千萬隻晶體管。60年代intel公司合伙人Gordon Moore預言，每過18個月，集成電路上可容納的晶體管數目就會增加一倍，計算機的性能將增強一倍，這就是著名的摩爾定律。這種趨勢已經持續了半個多世紀。如果這個趨勢一直持續下去，計算機的性能會越來越強大，任何我們現在面臨的「棘手問題」終究都會得到解決。但事實並非如此樂觀。國際半導體技術發展路線圖的更新已經放緩，目前晶體管數量密度每三年才翻一倍，摩爾定律正在失效。今天在硅晶片上面的加工尺度已經達到了0.1微米的量級，再往細微的方向走，這些微小的器件將不再遵循經典的物理規律，經典物理理論會逐漸失效。計算機將遇到它的「經典瓶頸」。這意味著，我們將不得不開始探討如何應用主宰微觀世界的量子物理原理來設計新型計算機的可能性。

量子計算的誕生

量子理論是描述微觀物質世界的一個物理學分支，它探討原子和亞原子系統的運動狀態。在原子水平上，那些我們日常生活中認為的那些理所當然的物理規則都不再適用。20世紀偉大的物理學家費曼曾說過：「在微觀世界發生的事情和你所有的現實經驗似乎完全不同，但又好像你曾經經歷過。」

光所表現出的特性有時候讓人覺得它是由大量粒子組成的，像一群源源不斷射來的炮彈，有時候又覺得它像波，像海里的蕩漾的波紋，這種現象被稱為波粒二相性，量子理論的基本定理之一。一個東西它即是粒子又是波，這與我們的日常經驗完全不合拍。但在量子世界裡，這種事經常發生，最激動人心又讓人一頭霧水的就是那隻著名的「薛定諤的貓」。在量子世界裡可以存在一種既死又活，或者不死不活的貓，你不理它，它就那麼一直不死不活地呆著，只有你去查看它時，才知道它究竟是死是活，而且你要是再不理它了，它就又回到不死不活中去。

那麼所有這些量子行為與計算機有什麼關係呢?當我們把晶體管做得小到原子那麼大，那時微型晶體管將不再遵循經典物理定律，而成為一個遵循量子定律的「量子晶體管」，那時，按照經典物理定律設計的計算機還能正常工作嗎?這個問題已經在科學家們的腦海中回蕩了幾十年。最先考慮這個問題的是IBM的物理學家Rolf Landauer 和 Charles H. Bennett，Landauer率先指出信息也是一種物理實在，必然遵循物理定律，並可以對其進行操控。這一思想開啟了量子計算的大門，它的一個重要結論就是當計算機處理信息的時候會耗費能量。目前的計算機消耗了太多能量，導致整個機體變得很熱，散熱問題一直是計算機設計必須考慮的問題。但事實上計算機本可以不用消耗這麼多能量就能完成所有任務的。在Landauer 的這個思想基礎上，上世紀70年代，Bennett提出了解決能耗問題的思路。他指出，如果計算機以一個 「可逆」("reversible")的方式工作，那麼就可以進行大量複雜的計算而無需消耗很多能量，這就是量子計算機的雛形。 1981年，美國阿貢國家實驗室的Paul Benioff提出了設計一個遵循量子規律即耗能很低但又可以像普通計算機一樣工作的機器的設想。接下來的一年，Richard Feynman勾勒出了這種機器的雛形。幾年後，量子計算機的主導人物，牛津大學的David Deutsch更詳細的總結了量子計算機的理論基礎。 那麼這些偉大的頭腦是如何憧憬他們心中的量子計算機的呢?

經典計算機的主要技術術語，如比特，寄存器，邏輯門，演算法等等，在量子計算機領域都有其相對應的術語。在量子計算機領域，我們用量子比特來替代比特。與比特相比，量子比特有著非常獨特的屬性。一個經典比特，只能存儲1或者0，而量子比特則能同時存儲多個值，可以是1或0或者既是1又是0，甚至可以是1與0中間的任意數。如果你覺得這太不可思議，那就想想那些既是粒子又是波的光子，或者，那隻既死又活、不死不活的薛定諤貓。我們可以用態疊加這一物理概念來描述量子比特的多值屬性。疊加可以理解為，就像兩列獨立的波在空間相遇形成一列新的波，兩列波的強弱，相交時彼此的位置等可以讓他們在空間上形成不同波動，但分開後他們還是原來的自己，沒發生什麼變化。量子比特使用態疊加來代表同時存在的多個態(多個數值)，但這多個態是由幾個基本的態(通常兩個就夠了)構成的。

量子計算機可以讓一個量子比特存儲多個數，計算機也就可以在多條路徑上並行處理多個運算(並行運算)。而當你在某個時刻，希望知道數據運算結果時，通過一定的測量，量子態就坍塌到它可能的一個態，通過經典測量可以得到想要的運算結果。就像你打開那個關「薛定諤的貓」的籠子，查看它究竟是死是活。在你沒有檢查以前它就那麼一直既死又活，或者不死不活的呆著 (做著並行運算)，只有你去查看它時(測量)，才知道它究竟是死是活 (獲得計算結果)。而且你要是不再理它了，它就又回到不死不活中去(繼續做並行運算)。如果我們可以製造這樣一台計算機，一對基本態，就可以疊加變換出無限種可能，並且可以做並行運算，顯然，它會比普通計算機快幾百萬倍。量子計算機將開闢計算機的嶄新未來，那麼，如何去建造這樣一個量子計算機呢?

量子比特可以存儲在原子、離子或者更小的電子、光子中。量子計算機像一個小型的桌面核子物理實驗室!不是用它來做粒子對撞實驗，而是想通過某種方法讓原子保持在某種狀態(這意味著你可以存儲信息)，經過某些操作或運算之後，讓它變化到另一種狀態，當然你要知道它究竟變成了什麼，這一過程中就可以進行信息處理。

使用激光、電磁場和微波等，人們已經掌握了很多存儲和操控微觀粒子的技術。用量子點製造量子比特就是其中之一。量子點是由半導體材料構成的納米小球，它內部的每個載流子，電子和空穴都可以被操控。「離子阱」是另一個製備量子比特的方法，給原子添加一個電子或從它拿走一個電子，就構成了一個離子，用聚焦激光可以穩穩的把離子固定在聚焦位置上。此時，每個離子就像納米兔子在燈火輝煌的舞台上跳著舞。激光脈衝可以控制它表現出不同的狀態，就像令兔子不停變換動作一樣。另外，也可以用光學腔中振蕩的光子來製造量子比特。光學腔是由空間上分離的一對小鏡子構成，光子可以在兩個小鏡子之間跳來跳去。總之，你唯一需要知道的就是量子比特可以存儲在原子或其他量子尺度的微觀粒子里，它可以處於不同的狀態，而人們可以通過某種方法讓它在不同的狀態間轉換。

操控原子的激光器系統

量子計算機可以完成哪些「不可能完成」的任務?

1994年，貝爾實驗室數學家Peter Shor提出了大數因數分解的演算法(大因數分解指尋找兩個質數，它們的乘積等於這個已知的大因數)，這個演算法顯示出量子計算機相比於經典計算機的巨大優越性和獨特性。Peter Shor演算法大大激發了人們對量子計算機的熱情和興趣。網路的發展使每台計算機都要使用公共平台傳輸數據，需要公共密匙加密技術對數據進行保密處理。而這項技術的安全性是基於大數因數分解保證的。那些因數要足夠大，以致使用現有的經典計算機幾乎不可能找到質數完成它因數分解，從而保證密碼的安全性。但是根據Peter Shor演算法，這些大因數分解，量子計算可以輕易完成。這意味著量子計算機的問世，將對目前的網路安全產生災難性的打擊。

這是否就意味著量子計算機一定優於經典計算機呢? 目前似乎還難下定論。理論上說，除了上文提到的Shor"s演算法外，幾乎所有目前已知的其他演算法，量子計算都能以優於經典計算的速度快速完成，但若有足夠的時間和好的計算性能，這些任務經典計算機也最終能夠完成，只是需要多一些時間罷了。

離真正的量子計算機到底有多遠?

從量子計算的概念提出到現在已過去三十多年，但量子計算機還只是一直停留在紙面上。重大突破發生在2000年。當時在IBM 的Almaden研究中心工作的張以撒(Isaac Chuang)，利用5個氟原子，完成了一個原始的5-量子比特的量子計算機;同年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員完成了一個7-量子比特的量子計算機。5年後，因斯布魯克大學的研究人員成功操縱了8-量子比特的量子計算。2011年，加拿大D-Wave系統公司(D-Wave Systems)在《自然》雜誌上發表了128-量子比特的量子計算機的實驗報告。儘管如此，量子計算機領域仍然處於初期階段，大多數科學家相信在接下來的十年里，量子計算機從實驗室走到我們的日常生活不太現實。考慮到建造量子計算機所面臨的巨大挑戰，我們仍需進一步論證量子計算機究竟可以完成哪些經典計算機不可能完成的任務，據此來評價我們會有多麼迫切需要用量子計算機去代替目前使用的經典計算機。我們無法準確的預測計算機接下來的發展，也許50 年後傳統計算機仍然蓬勃發展，量子計算機倒顯得無關緊要，甚至有點荒謬，誰知道呢?但對量子計算機的憧憬和追求，催促著我們更深入的了解奇異的微觀量子世界。可以肯定的是50年後我們對量子世界的認識會更豐富，對宇宙的探索會更深入。打開宇宙之門的鑰匙掌握在上帝手中，但尋找永恆的過程卻牽動著每一個人!

D-WAVE量子計算機

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