IBM造了一臺可以讓任何人使用的量子計算機

史萬春/譯

選自英國《經濟學家》雜志 2016年5月7日

IBM造了一臺可以讓任何人使用的量子計算機

史萬春/譯

選自英國《經濟學家》雜志 2016年5月7日

利用量子力學（quantum mechanics）原理進行計算，其速度將會遠超傳統計算機，這種想法幾十年前就已經出現。20世紀80年代早期，有人首次提出了這種預想；但是直到20世紀90年代晚期，這種構想才從理論家的黑板上走入現實，有人造出了簡易的量子計算機，證明了那些黑板上的公式并非異想天開。現如今，這個構想已經變成了公司項目。谷歌（Google）、微軟（Microsoft）、惠普（Hewlett-Packard）和IBM紛紛成立量子計算機研究小組。

但是量子計算對外界的影響仍然很小，部分原因是量子計算機仍然只存在于實驗室中，只有研究人員可以鼓搗這些機器。但現在不同了。因為就在5月4日，IBM宣布將會把公司的一臺量子計算機連接至互聯網，這樣一來任何人都可以使用這臺計算機。

量子計算令人激動之處在于它提供了這樣一種可能——即以遠超任何傳統計算機能夠達到的速度運行某些運算（并非所有運算）。量子計算機的這種能力來源于兩個違反直覺的現象：量子疊加（superposition）現象和量子糾纏（entanglement）現象。

量子疊加讓傳統基本計算單元比特（bit，二進制信息單位——譯注）變成了量子位（qubit）。一比特代表了一個可能的最小信息塊：開/關；是/否；1/0。而一個量子位則是兩種對立信息的疊加與混合。比如，一臺傳統計算機中的4比特可以代表16種不同的狀態；在某一個特定時間，該機器只能處在其中一種狀態。而量子計算機則可以處在所有16種不同狀態的疊加狀態之中。

但量子糾纏現象——將粒子連接到一起——才是量子計算機出類拔萃的真正原因。量子糾纏使得同時操控大量量子位成為可能，當量子位數量增長，機器能代表的狀態數也呈指數級增長。擁有300量子位的量子計算機能夠代表的狀態數超過了整個宇宙的原子數量。

結果就是量子計算機可以輕易處理海量數據。以往困難的任務——比如破譯密碼和模擬精確到分子的化學反應——都可以被輕易解決。而傳統計算機則難以勝任類似這些對于各種各樣的工業流程都很重要的任務。

300量子位的量子計算機還是一個夢想。IBM此次提供的只是一個5量子位的處理器，造在一塊超導金屬回路芯片上。該處理器懸掛在紐約州約克敦海茨（Yorktown Heights）IBM研究中心的一個大型沖氮冰箱的底部。冰箱讓芯片保持在接近絕對零度（可能的最低溫度），從而確保芯片脆弱的內部構造不會被任何熱量影響。不同的量子位會響應不同的頻率，通過向冰箱內部傳輸小心校準后的微波，研究人員可以對芯片進行編程。

然而普通用戶并不會知道上述復雜的技術原理。這倒和音樂有一點像：五線譜中的每一條線代表一個量子位；一組音符就好像是一組量子操作。當一個程序完成（IBM也用音樂中做比喻，把程序叫做“曲譜”）后，用戶只需按一下按鈕，芯片自動完成接下來的工作。

《經濟學家》（The Economist）雜志記者親眼觀看了IBM項目主管杰瑞·周（Jerry Chow）使用量子計算機運行格羅夫算法（Grover's algorithm，一種為了搜索未分類整理數據的量子算法），確實比傳統計算機快了許多。傳統計算機會將每一個數據都搜索一遍，從而找出需要的數據（以撲克牌為例，為了搜索黑桃A，傳統計算機會進行52次搜索嘗試）。量子計算機則只需要進行略少于總數平方根的嘗試，還是以撲克牌為例，要找到黑桃A，量子計算機只需要進行6次搜索嘗試。

一個5量子位的芯片本身無法讓世界轟動。麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）的量子計算研究員斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）表示，一臺普普通通的筆記本電腦就能夠模擬40或50量子位的量子計算機。據周博士所說，IBM計劃在科技發展后，更新其量子芯片，但眼下沒有制造民用量子計算機的計劃。他只是希望能有越來越多的人了解量子計算的基本原理，并鼓勵程序員了解該項技術。而最好的辦法就是讓人們可以“親自”操作機器。

與傳統計算機不同的是，量子計算機計算出的答案是概率性的，而非確定性的。一個結果僅僅可能是正確的，如此一來如何利用量子計算機則變成了挑戰。要想獲得答案，首先人們必須對機器進行度量。這會導致量子疊加效應消失，量子計算機變得類似傳統計算機。小心仔細的管理是獲得答案的方法，人們必須確保獲得正確答案的概率變大，同時獲得錯誤答案的概率變小。

量子計算機需要人們小心保護。量子計算機的疊加狀態非常脆弱，外界一些細微的影響——一束電磁波或者細微的溫度變化——會讓其“狀態”消失無蹤。要想讓量子計算機正常工作，人們必須將它和其他所有東西隔離開來。它需要厚實的保護還有極低的溫度，這意味著量子計算機不可能被制造成桌面電腦或是智能手機。也就是說，那個未來商用的巨大量子計算機可能和IBM現有的量子計算機雛形一樣，待在遙遠的數據中心。它們連接著互聯網，當傳統電腦的使用者需要時，它們的才華才會被喚醒。

原文標題：Now Try This IBM Is Making a Quantum Computer Available for Anyone to Play with