重磅│在線量子計算機來了！ IBM首次將量子計算向大眾公開

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IBM的量子計算機晶元，擁有5位量子位

編者按：本周三，IBM的科學家首次將該公司的量子計算機接入雲端服務向大眾公開，IBM相信幾年之內就能開發出量子計算機的實驗晶元。量子計算競賽的號角已吹響。

目前，IBM還沒有正式公開體驗量子計算服務的介面，但有興趣的朋友可以登錄：https://quantumexperience.ng.bluemix.net/ 申請試用。

今天的互聯網包羅萬象，每一天都有新的設備，新的技術接入，可是IBM接入互聯網的這台電腦卻不太一樣。它稱得上是鶴立雞群，傲視一切。這台由液氮冷卻，擁有超導處理器，運用量子物理原理的計算機衝破了傳統計算機運算能力的壁壘，開啟了一個新時代。

傑瑞·周（Jerry Chow）帶領的IBM量子計算機團隊，在本周三啟動了量子運算的網頁界面，讓外部的程序員和研究者通過演算法來測試這塊量子晶元。周對記者表示，「儘管量子計算雲服務的主要目標人群是科學家和學生，但其實任何想要來一睹量子運算真容的人都可以試試。」

IBM量子計算機專家傑瑞·周

雖然可能只是管窺一斑，但是周還是想讓普羅大眾，對這款顛覆型雲端計算機的投入使用，以及之後帶來的風起雲湧有所準備。「我們想讓大眾開始擁有另一種思維，開始學習如何使用量子計算機編程。」

天壤之別的計算機

量子計算機和傳統數字計算機是完全不同的。

拿傑瑞·周的話講，傳統經典的計算機，只能識別兩個狀態，0或1，或者說開或關。量子計算機所運用的是一種把0和1相結合而形成的複合狀態。在某一時間點，這個狀態可能是1也可能是0，或者是他們兩者之間的某個狀態，也可以說這種狀態是一種即是1又是0的不確定狀態。

IBM量子運算雲服務的軟體界面

這種複雜的狀態被稱為「量子糾纏態」，一些知名的量子演算法都用到了它。

這裡有必要解釋一下數據傳輸過程中的糾錯功能，這也是IBM研究團隊解決的最困難的問題之一。畢竟，量子計算機的糾錯計算要比傳統計算機複雜太多。

現代儲存與通信系統，一旦離開了糾錯功能，都將無法運轉。核心解決辦法是在保留原數據結構的基礎上，添加用於糾錯的冗餘信息，這樣就可以很容易的判斷數據是否損壞，而且在可能情況下利用冗餘數據進行修復，而避免讓對方重新發送。

傳統通信中的常用的方式是抓取一組數據，比方說4個，通過對它們執行一系列的數學運算（通常是異或運算），來生成一個額外數據。一共5個數據同時發送給接收者後，再執行相同操作。

接收方執行相同操作後，是否得出了相同的第五個數據，即可判斷原有4個數據中是否存在錯誤。因為計算順序是已經預先設定好的，一旦出現錯誤，也可以通過第五個數據來進行修復，而代價僅僅是佔用四分之一的信道容量，就可換取幾乎沒有錯誤的數據傳輸。

當然，這背後需要大量的數學計算細節來支撐，但你只要明白它確實管用就好了。舉個例子，在微波通訊領域，沒有這種糾錯演算法的情況下，數據傳輸的錯誤率可能在十億分之一，而一旦開啟了糾錯，錯誤率會降低到萬億分之一，這就是差別。

然而，上面所講的只是在傳統通信和計算領域，下面，歡迎來到量子世界，一個完全不同的世界！

歡迎來到量子計算的世界

量子計算同樣面臨糾錯問題，而且比傳統計算更難解決。量子位的工作方法之一是通過超導量子干涉器，通常情況下0與1的能量差在這裡變成了10^-24焦耳。在傳統計算機系統中，我們可以通過改變電壓/電流來輕易改變能量差。所以，我們通常以「伏特」這種簡便的方式來衡量。

要在0和1之間實現與10^-24焦類似的能量差，傳統晶元只需要做10微伏的柵電壓調整即可。所以，傳統晶元與量子晶元的運行能級差至少為10000的係數。

更糟的是，量子糾纏態並不是簡單的0或1的概念，而是向0或1演化的一種可能性，而且這種可能性隨時發生變化。我們可以拿兩個狀態相同的量子位來做測量，在不斷重複測量後，會發現兩個量子位的概率分布是相同的，當然，這是理論上的。在實際操作中，由於環境不完全相同，在某些時間點會出現不可預測的微小變化。

所以，在比特翻轉錯誤的同時，你也會遇到相位翻轉錯誤。這並不是由於某個特定比特值導致的，而是由於兩個比特之間的關係出現了錯誤。

再回到糾錯這個問題上來。正是因為上面所說的一大堆，才導致了量子電路糾錯變得非常困難，同時卻又非常必要。在傳統計算機中，第一個處理器只執行最少量的（甚至不執行）糾錯任務。而量子計算機則在一開始就要執行非常複雜的糾錯。不光是翻轉一個比特那麼簡單，你得知道不同量子位是如何隨時間變化的，還要在測量它們之前糾正這種變化。

來解釋一下這到底有多難。一個典型的量子位的生命周期為50微秒，外加20微秒的相干時間。這是啥意思呢？這就意味著一旦量子位被設定好，你必須在第一個20微秒內執行糾錯，並在接下來的50微秒內完成某一階段的計算任務。聽起來還不算太糟哈？

但是…總是有個但是，操控量子位的方式，不管是執行邏輯運算還是糾錯，都需要攜帶了能量的微波脈衝。可以是短時尖脈衝，也可以是長而緩的脈衝，只要是在相同的脈衝區域。不幸的是，短時尖脈衝會導致一系列問題，所以，典型的脈衝長度是50-60納秒。

在50微秒內搞定所有事情的前提下，這意味著有總共需要運行1000次的計算和糾錯。這就讓上面提到的問題難上加難了。

向量子處理器發送脈衝的微波裝置

IBM解決的問題究竟有多難？

現在，「藍色巨人」IBM把這個「難上加難」的問題給解決了！通過對系統做大量簡化，IBM的研究團隊將一個由4個量子位組成的數據簇，與另一個單獨量子位進行耦合，稱之為「綜合比特」。這種「綜合量子位」的狀態取決於內部其他量子位狀態。這種連通性被用來檢測哪個量子位引發了錯誤，從而在計算完成之前對錯誤進行修正。

IBM的概念聽起來挺玄乎，其實真正的工作機制是這樣的：量子位相當於在電子器件中來回振蕩的電磁波，與鄰近量子位釋放的少量電磁波進行混合及耦合。如果這兩個量子位狀態相同，電磁波則處於同一相位，並向綜合量子位發出很強的信號。同樣的原理，另一組的兩個量子位也將它們的信號組合發給綜合量子位，這就是前文中所提到的「量子干涉」。

IBM的系統最核心的地方在於，它可以在計算過程執行的同時進行糾錯。簡單的說：我們不需要讀取量子位值，然後再去糾錯。而是搶先測量到某個可能產生導致錯誤的電磁波的量子位，在干涉發生前就阻止它。研究人員雖然不知道每個量子位的狀態，但他們知道如何翻轉，以及量子位的相互驅動翻轉率。他們就用這個原理來進行糾錯。

由於量子計算機的運算原理與傳統計算機大相徑庭，所以它可以快速的處理一些需要同時運用數以億計的變數的運算任務，比如運算化學中分子間的相互作用，在這點上，傳統的計算機難以望其項背。

量子計算機同時也精於機器學習，在比如新葯研發、新型信息安全，以及真正能夠思考推理的智能計算機等領域都能大展拳腳。

工作原理不同，自然使用方法也必然不同。所以貼心的IBM同時也發布了一份指導你進行量子計算的網路教程，只需要高中的數學基礎和一點點編程背景就能看懂。（傑瑞·周大牛推薦：編第一個量子程序前，最好去Quora上補習一下量子基礎知識）

冷酷到底的計算機，真的冷到底！

量子計算機的搭建也非常不一樣。雖然和經典計算機一樣都是構建於硅晶片基礎之上，但是真的在家裡DIY不了，因為量子計算機的核心部件之一是鈮、鋁構成的超導金屬，必須在極低溫度下保存，只有在這種極端低溫的情況下，它們才能呈現出量子特性。

所以重中之重的是一台能把計算機核心部件保持在只比絕對零度（零下273攝氏度）高0.015攝氏度的超級冰箱，比外太空都冷！

IBM量子計算機的超級冰箱，幾乎達到絕對零度，製冷效果傲睨外太空

這台接到雲端的量子計算機擁有5個量子位，在現有量子計算機的家族裡已經很強了（其他的一般只有2個量子位），但是其實運算能力並不能與一台平常的超級計算機相比。

超級冰箱的內部，IBM科學家史蒂芬·飛利浦（Stefan Filipp）正對這台稀釋制冷機進行調節

然而隨著量子計算行業的發展，達到50個量子位的量子計算機只是時間問題，量子計算機的運算能力會成指數級提升，屆時必將所向披靡。甚至無法想像如此之迅猛的計算機到底該解決什麼樣的問題。

量子計算機技術哪家強？Google和IBM的競賽號角已經吹響

在量子計算機領域的沙場上，群雄逐鹿，IBM，Google，微軟以及其他很多專業團隊都在致力於量子計算機的研發。

量子計算機能夠解決很多傳統計算機幾乎不可能解決的問題，這項技術炙手可熱，然而並不是所有的團隊都能像IBM生產出這種晶元的，而且IBM僅僅向少數幾個合作夥伴提供這款晶元，加拿大滑鐵盧大學量子計算機中心的科學家戴維·克里（David Corey）這樣說道，能夠開發一款量子晶元，並且24小時在線穩定工作，「我不知道還有什麼量子計算機系統能夠達到這種穩定性」。

IBM的量子計算機是基於耶魯大學的羅伯特·薛爾考普夫（RobertSchoelkopf）教授的研究打造的，核心團隊都是該教授的博士生和博士後。而Google是在2014年吸收了另一組研究量子計算機的高校團隊：加州大學聖巴巴拉分校的約翰·馬蒂尼斯（JohnMartinis）教授的團隊。

IBM今天也同時發布了第二款新型量子晶元的細節。周的團隊聲稱，它比以前表現出了更好的糾錯性，這一點對製造真正意義上能運用於通用領域的量子計算機至關重要。而這樣一台通用型量子計算機一直沒有出現，主要原因就是科學家沒有掌握如何穩定量子的狀態來表達數據。

IBM量子計算機核心科學家團隊：傑·甘貝塔（JayGambetta 左），馬蒂亞斯·史蒂芬（Matthias Steffen），傑瑞·周（右）

儘管IBM的論文並沒有完全公開，但是它發布的晶元已經表明，在這場與Google的競賽中，IBM已經先勝一籌。Google在去年建立了一個新的量子晶元開發實驗室，然而一台通用型量子計算機不是哪家公司能夠一兩天就能開發出來的，都需要時間。

一台真正實用意義上的量子計算機通常需要成千上萬，甚至百萬級的量子位，因為糾錯編碼需要極大的計算量。IBM今天發布的量子晶元擁有5位量子位。Google研發的擁有9位（Google的位數雖高，但在業界對其通用性這點並不認同，它只能解決特定的問題）。

周的團隊也瞄準了一些非通用量子處理器的應用，在量子計算領域，另闢蹊徑。這種被稱為模擬量子計算機的技術只需要較少的糾錯代碼，因此就不需要大量的量子位。雖然這種技術只能針對某些特定的問題，但是它也能大大推動諸如能源和材料研究的化學模擬，以及機器學習這些領域的發展。

量子運算科學家傑·甘貝塔（Jay Gambetta）用一台平板電腦通過雲端控制量子計算機進行運算，是不是有點四兩撥千斤的味道。

麻省理工學院副教授斯科特·艾隆森（Scott Aaronson）表示，這是個很值得研究的方向。當量子計算機發展到50量子位的時候，就能實現「量子稱霸」，超過世界上任何傳統計算機，能夠解決任何傳統計算機解決不了的問題。(去年Google曾經報道過他們運用D-Wave中另一種設計模式的量子處理器所實現的震撼結果，然而仍然與「量子稱霸」相去甚遠)

「第一次實現量子稱霸必將成為物理學和計算機科學的一個里程碑，」艾隆森還說道，「雖然不能確定的說出時間，但是可以預見實現的時機不會遠了。」

周和他的團隊表示，可以預見他們實現這一點的時間不會太遠，他說：「我們相信在接下來的幾年內就能實現50個量子位。」而作為競爭者，另一邊的Google量子計算機團隊也瞄準了模擬量子處理器，並且預估在幾年內將能生產100量子位的晶元。其他的量子計算專業團隊，比如馬里蘭州大學也在致力於模擬量子處理器的開發。

說起這場地盤爭奪戰的現狀，周表示，其實Google的目標和我們差不多。他覺得競爭是件好事，將能夠使模擬量子處理器的用途更加清晰。「已經有很多公司取得了這項技術的知識產權，我認為來自各個團隊更多的工作投入，將會使這項技術的前景更加明朗。」

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