量子計(jì)算機(jī)來(lái)了

吉安

量子，一聽這個(gè)詞，你會(huì)不會(huì)覺得它只屬于高端科學(xué)，和我們的生活沒(méi)有什么太緊密的聯(lián)系？現(xiàn)今，計(jì)算機(jī)與量子發(fā)生了奇妙的“結(jié)合”，那就是量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)（Qantum computer），遵循量子力學(xué)的規(guī)律，進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算，是存儲(chǔ)和處理量子信息的裝置。如果裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法，那這個(gè)裝置就是我們下面要談的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，研究可逆計(jì)算機(jī)的目的就是為了解決計(jì)算機(jī)中的能耗問(wèn)題。

只聞其名，量子計(jì)算機(jī)，大概就能猜到它是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器。要說(shuō)清楚量子計(jì)算，首先要先看經(jīng)典計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法是由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1920年，奧地利人薛定諤、愛因斯坦、德國(guó)人海森伯格和狄拉克共同創(chuàng)建了一個(gè)前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。量子力學(xué)的誕生為人類未來(lái)的第四次工業(yè)革命打下了基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)新技術(shù)，那就是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)概念最早由理查得·費(fèi)曼提出的，后來(lái)經(jīng)過(guò)若干年的研究，這項(xiàng)技術(shù)已初見成效了。

2013年5月23日，Google與NASA（美國(guó)宇航局）合作建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，其目的就是研究量子計(jì)算機(jī)。Google與高校空間研究協(xié)會(huì)（與NASA有密切合作的非盈利組織）購(gòu)買了量子計(jì)算機(jī)，開始進(jìn)行量子計(jì)算的研究工作。

量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算的區(qū)別

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)利用幾百萬(wàn)個(gè)電子晶體管進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，將0和1作為基本元素。量子計(jì)算則完全不同，它更有彈性，不再使用二進(jìn)位代碼，取而代之的是量子位元，又叫量子比特，它可以同時(shí)代表0和1。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行，但量子計(jì)算機(jī)要更為強(qiáng)大，它可以在量子比特上運(yùn)算，可以計(jì)算0和1之間的數(shù)值。假想一個(gè)放置在磁場(chǎng)中的原子，像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。按常識(shí)理解原子的旋轉(zhuǎn)可能向上，可能向下，但不可能既向上又向下。但在量子世界里，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，它一個(gè)向上轉(zhuǎn)的原子和一個(gè)向下轉(zhuǎn)的原子的總和，即每一種物體都可以被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來(lái)描述。

換一種表述，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能使用“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)來(lái)控制電流，而量子計(jì)算機(jī)具有“開”和“關(guān)”同時(shí)存在的第三種狀態(tài)，這是量子世界不同于粒子世界的特性。使用量子計(jì)算機(jī)能并行處理更多的信息，計(jì)算速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。要進(jìn)行量子計(jì)算并不容易，但在某些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)容易失敗的領(lǐng)域，它卻可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

量子計(jì)算機(jī)依賴的是量子機(jī)制來(lái)提高其計(jì)算速度，量子機(jī)制決定了所有物質(zhì)和能量的行為表現(xiàn)，即使只利用量子機(jī)制的簡(jiǎn)單特性，構(gòu)造出的計(jì)算機(jī)表現(xiàn)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何一臺(tái)超級(jí)電子計(jì)算機(jī)。加拿大公司D-Wave表示，它的“Orion”只是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，并不是要取代誰(shuí)。換句話說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)還沒(méi)有發(fā)展到可以“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”的地步。

用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)描述量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的差別：在一個(gè)虛擬界面上存在山岡和低谷，目標(biāo)是找到最低點(diǎn)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是從一個(gè)點(diǎn)開始尋找，不斷搜索，有系統(tǒng)地搜索：是這里嗎？這里呢？查找的過(guò)程很慢，除非有無(wú)限的時(shí)間和無(wú)窮的耐心，否則就只能選擇“足夠好”。現(xiàn)在的答案固然不錯(cuò)，但新的、更低的點(diǎn)也許在幾次計(jì)算后才出現(xiàn)。相比量子計(jì)算機(jī)的效率就要高得多了，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估，從而大大改進(jìn)計(jì)算的效率。

量子計(jì)算機(jī)無(wú)法替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)

IBM和微軟等許多公司都在研究量子計(jì)算技術(shù)。D-Wave是唯一銷售量子計(jì)算機(jī)硬件的廠商，公司表示，在少數(shù)復(fù)雜問(wèn)題上，量子計(jì)算機(jī)的速度要比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快5萬(wàn)倍。但需要注意的是，“高速”是有前提的，因此所謂的高速是受條件限制的。如果你只想發(fā)個(gè)郵箱、聽首音樂(lè)，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)讓你覺得有什么太大的區(qū)別，但要完成復(fù)雜任務(wù)就不同了。Google Research工程主管表示，希望量子計(jì)算機(jī)可以讓研究人員更有效率地工作，更準(zhǔn)確地為一切研究建模，包括語(yǔ)音識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)搜索、蛋白質(zhì)折疊等。

因此，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)很快淘汰傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，它有自己的限制，而且它很難建造，價(jià)格很高。到目前，量子計(jì)算機(jī)大多是基于理論的，量子人工實(shí)驗(yàn)室設(shè)立的目的之一就是推動(dòng)理論的發(fā)展。它的目標(biāo)是將理論用于實(shí)踐，解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，為真正的量子設(shè)備編寫代碼。

Google為什么對(duì)量子計(jì)算機(jī)感興趣

Google對(duì)新技術(shù)一直很癡迷，社交網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、自駕汽車，現(xiàn)在又是量子計(jì)算機(jī)。這些項(xiàng)目的相似之處，就是它們都可以強(qiáng)化公司的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。

Google希望利用量子計(jì)算更好地理解人類的語(yǔ)音提問(wèn)，這項(xiàng)技術(shù)不只可以用在搜索引擎上，還可以用在移動(dòng)應(yīng)用上，如Google Now和Google Maps。

Google稱：“我們已經(jīng)開發(fā)一些量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法。當(dāng)中一些可以提高識(shí)別能力，比如在移動(dòng)設(shè)備電源不足時(shí)識(shí)別。一些可以處理高度污染的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實(shí)世界中，許多時(shí)候數(shù)據(jù)被貼錯(cuò)標(biāo)簽。我們還可以從中學(xué)習(xí)到一些經(jīng)驗(yàn)，比如，純粹使用量子計(jì)算不會(huì)得到最好的結(jié)果，將量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)合會(huì)更好。”

在谷歌的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，量子計(jì)算機(jī)會(huì)先進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，這是電腦學(xué)習(xí)的信息模式，可以提高它們的輸出“吞吐量”。然后，量子計(jì)算機(jī)要負(fù)責(zé)進(jìn)行個(gè)性化的互聯(lián)網(wǎng)搜索和以GPS數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)交通的擁堵情況。另外，還要進(jìn)行面部或語(yǔ)音的識(shí)別、生物行為，或者是龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)管理工作。

Google官方博客表示，如果世界需要建立有效的環(huán)境政策，就需要建立更好的模型來(lái)描述全球的天氣和氣候，否則就不會(huì)有令人信服的證據(jù)。

谷歌已經(jīng)為量子計(jì)算機(jī)修改了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種算法原本由D-Wave系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)。D-Wave向洛克希德·馬丁公司出售了首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)，洛克希德公司官員表示，計(jì)算機(jī)會(huì)被用于測(cè)試和測(cè)量工作，如噴氣飛機(jī)的設(shè)計(jì)或衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性。

量子計(jì)算機(jī)的廣闊前景

近年來(lái)，由于社會(huì)對(duì)高速、保密、大容量的通訊和計(jì)算的需求，促進(jìn)了量子信息、量子計(jì)算理論和實(shí)驗(yàn)的迅速發(fā)展。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

2009年11月，世界首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)正式在美國(guó)誕生，這一量子計(jì)算機(jī)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制，可處理兩個(gè)量子比特的數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的0和1比特，量子比特能存儲(chǔ)更多的信息，其性能大大超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

2010年3月，德國(guó)某研究中心發(fā)表公報(bào)稱其超級(jí)計(jì)算機(jī)成功仿真42位量子計(jì)算機(jī)。在此基礎(chǔ)上，研究人員首次可以仔細(xì)地研究高位數(shù)量子計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)特性。

IBM的科學(xué)家在量子計(jì)算方面取得重大突破，2012年1月完成系列量子計(jì)算試驗(yàn)，在絕對(duì)零度條件下證實(shí)了通過(guò)量子技術(shù)一秒鐘可以進(jìn)行億萬(wàn)次運(yùn)算。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位非0即1，而一個(gè)量子可以擁有0、1以及同時(shí)0與1三種狀態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)突破允許科學(xué)家在初步計(jì)算中減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率，同時(shí)在量子位中保持量子機(jī)械屬性的完整性。

量子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行大數(shù)的因式分解和Grover搜索破譯密碼，但是同時(shí)也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對(duì)進(jìn)行量子通訊的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對(duì)的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息。正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實(shí)現(xiàn)的量子通訊才是真正不會(huì)被破解的保密通訊。此外量子計(jì)算機(jī)還可以用來(lái)做量子系統(tǒng)的模擬，一旦有了量子模擬計(jì)算機(jī)，就無(wú)需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上做數(shù)值計(jì)算，便可精確地研究量子體系特征。

迄今為止，世界上還沒(méi)有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。但是，世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)“量子夢(mèng)”。如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，方案很多，問(wèn)題是在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)困難。未來(lái)，也許現(xiàn)有的方案都派不上用場(chǎng)，最后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計(jì)。

我們期待真正量子計(jì)算機(jī)的到來(lái)！