量子計算的黃金時代正在到來

騰訊科技訊 5月15日，《快公司》雜誌近期刊文稱，IBM近期公布了在量子計算領域的一項重要突破。不過，開發真正的量子計算機仍有許多問題有待解決。

以下為文章全文：

量子計算並不簡單。然而IBM的研究人員近期宣布，在解決量子計算一個主要問題的過程中，他們已經邁出了重要一步。這就是開發一種更好的方式，檢測及修正令人困擾的錯誤。IBM T.J.沃森實驗室負責人馬克·利特（Mark Ritter）在一篇博文中表示：「我認為，我們正在迎來量子計算研究的黃金時代。」而關於全球第一台真正的量子計算機的開發，他的團隊「正走在前沿」。

首先，來看看什麼是量子計算機。量子計算機利用了微觀粒子的特殊行為，來解決傳統計算機無法解決，或是耗時太長的問題。例如，實驗室中很難研究量子層面的分子間互動，這在傳統計算機上也很難模擬，但量子計算機可以勝任這樣的工作。

「在藥物製造、藥物設計、化工設計，以及生物製藥等領域，量子模擬很有潛力。」IBM試驗性量子計算集團經理傑瑞·周（Jerry Chow）表示。此外，量子計算機能輕鬆破解當前使用的最複雜的密碼。基於這樣的理由，美國國家安全局（NSA）也投入巨資研究量子計算機。

量子計算機引入了大量理論物理和數學的概念。自90年代量子計算機出現以來，全球學術機構、政府，以及包括谷歌、微軟和洛克希德馬丁在內的公司都已對這一技術進行了多年的研究。加拿大一家公司D-Wave宣稱，該公司已經製造出一台量子計算機。不過許多研究人員，包括IBM的研究者在內，都對這一計算機是否具備真正的「量子性」提出了質疑。

「量子」是什麼

一個經典的二進位比特只有兩種狀態：「0」和「1」，而量子比特(即「qubit」)可同時存在兩種可能的狀態，這種新狀態被稱作「疊加態」。因此，對量子比特的操作可以讓許多計算工作並行進行。由兩個量子比特構成的系統將可以用4個值來運算，而由3個量子比特構成的系統可以用8個值來運算。

傳統計算機根據比特位的確定狀態進行運算，因此運算只能依次進行。而量子計算機則有所不同。一個量子比特序列可以同時表達由「0」和「1」構成的所有可能組合，這意味著計算機能同時嘗試所有可能的解，以遠超傳統計算機的速度進行複雜的計算。

不過，量子計算的一個有趣特性是，對量子比特的測量會導致其「坍縮」至一個確定狀態，即「0」或「1」，從而失去量子性。量子計算正是通過對整個量子比特序列的測量而得出結果。

許多量子演算法都是非確定性的。這些演算法可以並行地求出多個解，但只有一個解可以被測量，因此能以某一已知概率得出正確結果。進行多次反覆計算將提高求出正確解的概率，但這也削弱了量子計算的速度優勢。

IBM的成績

大部分研究人員認為，開發實用的量子計算機仍面臨著許多困難。在《自然》雜誌的一篇論文中，傑瑞·周的團隊介紹了如何解決其中一項挑戰。他們設計了一種方式，以檢測2x2超導量子比特點陣的錯誤。

對任何計算機而言，如果已保存的數據存在錯誤，那麼計算結果必然也是錯誤的。在使用晶體管製造的傳統計算機中，出錯的可能性很低。當錯誤發生時，計算機也可以通過多種糾錯機制來自動修正。

量子計算機的情況有很大不同。傑瑞·周表示：「量子比特非常容易出錯。它們可能會受熱量影響，可能會受環境噪音影響，也可能會受偏離的電磁耦合的影響。」

傳統計算機保存的信息只可能出現一種錯誤，即比特位反轉，誤將「0」當作「1」，或是誤將「1」當作「0」。量子比特除了這樣的錯誤之外，還會發生相位反轉。一個量子比特的疊加態，即同時表達「0」和「1」的狀態，被標記為「0+1」。相位錯誤會破壞「0」和「1」之間的相位關係。

傑瑞·周表示：「0+1和0-1表達了兩種全然不同的信息狀態。我們可以將其視為一個球體內的箭頭指向。你可以將指向南極視為『0』，將指向北極視為『1』，將指向赤道的一側視為『0+1』，而將指向赤道的相反一側視為『0-1』。而更複雜的一點在於，量子錯誤的修正機制需要避免直接測量量子數據，否則會導致量子態的坍縮。」

IBM提出的新的錯誤檢測機制基於一種被稱作「代碼表面化」的技術。這一技術將量子信息分散在多個量子比特中。兩個表徵量子比特被配對至兩個代碼量子比特，或者說數據量子比特。一個表徵量子比特用於反映，代碼量子比特是否出現了比特位反轉的錯誤，而另一個表徵量子比特則用於反映是否發生了相位反轉錯誤。通過這種方式，代碼量子比特不會被直接測量。

不過，對於實用的量子計算機的發展，錯誤修正只是需要解決的多個問題之一。

更多的量子，更多的問題

一名教授已在社交問答網站Quora上列舉了量子計算所面臨的各種困難。其中之一在於相干性。衡量量子比特質量的一個常見指標是相干時間，即量子比特的量子性能維持多久。一台性能健壯、功能完整的量子計算機需要有較長的相干時間。目前距離實現這一目標還很遙遠。2014年，新南威爾士大學的研究人員創造了一項世界紀錄，他們創造的兩種全新類型量子比特能在35秒長的時間裡保持量子態。

「為了確保量子糾錯技術能夠工作，你需要單個量子比特達到一定的質量。」傑瑞·周表示，「為了讓這些單個量子比特越來越好，我們在材料科學、設備布局，以及實際處理器開發方面還有大量工作要完成。」

與傳統計算機不同，量子計算機並沒有標準的材料或架構。量子比特的製造方式多種多樣，其中包括離子阱。傑瑞·周團隊採用的方法則是將硅材料中的電子打入超導電路。

為了實現較長的相干時間，量子比特需要與外部環境隔離開，通常情況下還需要確保溫度低於零度。然而，這樣的隔離導致計算機難以得到有效的控制，因為控制意味著量子計算機將與外界環境發生接觸。同時實現控制和相干性將帶來高昂的成本。

為了製造出相干時間長的量子比特，澳大利亞研究人員利用價值10萬美元的高頻震蕩磁場發生器操縱在硅晶體上植入的單個磷原子，並使用簡單的電脈衝去改變原子中電子的頻率。研究者之一安德里·莫雷洛（Andrea Morello）表示：「因此，我們可以選擇去操作哪一量子比特。這就類似於我們通過調節旋鈕去選擇接收哪一廣播電台。這裡的旋鈕是施加在原子上方微型電極的電壓。」

研究者隨後還對設計進行了改進，從而控制多個量子比特。上月，該實驗室報告了硅晶體製造的最新進展，這將極大地減少硬體開發的時間和成本。

如何擴大規模

然而到目前為止，在相干時間的限制下，研究者仍只能利用少數幾個量子比特進行有限的量子邏輯操作。連接的量子比特越多，量子計算機行為類似傳統計算機的可能性就越大。然而，如果不能集成大量的量子比特，一些複雜問題就無法進行求解。

傑瑞·周表示：「為了開發類似當前處理器的量子晶元，我們還需要大量的工程開發，以及對不同材料及這些材料在量子世界中的行為有更多的理解。」

另一個問題在於，量子演算法相對於傳統計算機求解速度更快的問題類型可能很有限。由於許多量子演算法都是非確定性的，因此你需要一定的方式去驗證，被測量的結果是否正確。例如，在計算一個大數的質因數時，檢查結果很容易。但許多問題的解並不是很容易驗證。

即使在問題的解得到驗證之後，你可能還需要進行多次同樣的計算，從而獲得正確的解。這也削弱了量子計算的速度優勢。維也納的一些研究人員正在解決這一問題。他們在計算過程中插入了一些簡短的中間計算，而這些計算的答案是已知的。這將幫助用戶衡量量子計算的可靠性。其他量子演算法則利用了干涉現象，從而提升單次運算獲得正確結果的可能性。

IBM的傑瑞·周對於這些障礙的解決感到樂觀，尤其是在製造「邏輯量子比特」方面。邏輯量子比特基於物理量子比特，但不會丟失信息，且錯誤已得到修正。「許多這類問題將在未來幾年內得到解決，這將幫助我們實現邏輯量子比特編碼。隨後，在這一邏輯層的基礎上，我們可以向真正的量子演算法邁出一步。」

在此之後，所有計算機用戶，無論是科學家、加密專家、數據挖掘專家，還是互聯網搜索用戶，與量子計算的距離都將更近一步。（李瑋）