量子計(jì)算機(jī)，到底有多神奇？

劉恕

量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于大幅縮短提取用戶(hù)所需信息的時(shí)間，它可以在幾天內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會(huì)花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)年才能處理的數(shù)據(jù)，因此未來(lái)的應(yīng)用前景十分令人神往。

2011年5月11日，加拿大D-Wave公司發(fā)布了號(hào)稱(chēng)“全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)”的D-Wave One，神奇莫測(cè)的量子計(jì)算至此從幕后走到了臺(tái)前，成為業(yè)界熱議的話題。

2015年12月，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室宣布：在兩次測(cè)試中，量子計(jì)算機(jī)D-Wave2X的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)模擬裝置計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行速度快1億倍。

經(jīng)過(guò)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比較，谷歌稱(chēng)已證明其量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算。

谷歌工程技術(shù)主管哈特馬特·納文表示：“這是一個(gè)值得我們歡欣鼓舞的結(jié)果，不過(guò)要將量子計(jì)算機(jī)帶入我們的日常生活，技術(shù)人員們要做的工作還有很多。”

2016年5月，IBM則推出了5比特位的量子計(jì)算機(jī)平臺(tái)Quantum Experience，使用者可以將計(jì)算需求發(fā)送到這個(gè)位于云端的平臺(tái)上，隨后，該需求會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到一臺(tái)量子處理器上，它被放置于美國(guó)紐約州的IBM T.J.Watson研究院中—這意味著，任何人都可以通過(guò)平臺(tái)間接操作量子計(jì)算機(jī)里的原子做運(yùn)算。

2016年8月出版的英國(guó)《自然》雜志在封面位置報(bào)告了一項(xiàng)量子計(jì)算機(jī)重大進(jìn)展：一種小型可編程重新配置的量子計(jì)算機(jī)問(wèn)世，這個(gè)也可稱(chēng)為量子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的裝置有望被放大為規(guī)模更大的計(jì)算機(jī)。而長(zhǎng)期以來(lái)，量子計(jì)算的這一特性一直難以實(shí)現(xiàn)。

那么量子計(jì)算機(jī)到底為何物呢？讓我們一起走近量子計(jì)算機(jī)，揭開(kāi)它神秘的面紗。

讓計(jì)算速度“飛”起來(lái)

正如電影《異次元駭客》中演繹的那般，在科技發(fā)達(dá)的時(shí)代，科學(xué)家們可以通過(guò)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)虛擬出一個(gè)城市，虛擬城市中的科學(xué)家又虛擬出一個(gè)城市。不管是第一層虛擬還是第二層虛擬，其中的人類(lèi)都生活得怡然自得，他們有思想、有感覺(jué)。沒(méi)有人去懷疑世界的真實(shí)性，他們完全不知道自己是個(gè)人工智能。

事實(shí)上，完成如此巨大模擬并不是一件容易的事情。一個(gè)人類(lèi)個(gè)體本身所具有的全部特點(diǎn)、微小的變化以及本身細(xì)胞之間的各種間接的作用聯(lián)系，還有環(huán)境、溫度、大氣變化等都將是一個(gè)難以估量的龐大數(shù)據(jù)，通用計(jì)算機(jī)將很難實(shí)現(xiàn)完全模擬，這就需要量子計(jì)算機(jī)來(lái)完成。

據(jù)蝌蚪五線譜的文章稱(chēng)，人們研究量子計(jì)算機(jī)最初很重要的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是探索通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算極限。早在1982年，頗有遠(yuǎn)見(jiàn)的美國(guó)著名物理物學(xué)家理查德·費(fèi)曼在一個(gè)公開(kāi)的演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的新奇想法。1985年，英國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)·杜斯提出了量子圖靈機(jī)模型。理查德·費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，于是量子計(jì)算機(jī)的概念誕生了。

目前，我們所有的計(jì)算機(jī)體系都是基于馮諾依曼式的組織結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行速度的增長(zhǎng)已經(jīng)明顯放緩，對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的分析計(jì)算效率也很難再提高。量子計(jì)算的提出，則旨在專(zhuān)門(mén)為復(fù)雜問(wèn)題的求解設(shè)計(jì)一種全新的計(jì)算機(jī)體系，即所謂的量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。

谷歌宣布D-Wave量子計(jì)算機(jī)在解決問(wèn)題時(shí)能夠比其他任何計(jì)算機(jī)都快出1億倍，并且能夠極大地推動(dòng)人工智能的進(jìn)步。據(jù)悉，谷歌宣布的重要佐證就是“量子退火”算法。這種算法確定了當(dāng)面臨一系列潛在解決方案時(shí)一個(gè)特定函數(shù)的全局極小值，即在給定一系列選項(xiàng)時(shí)，它能夠確定完成一個(gè)任務(wù)所需的最優(yōu)解決方案。谷歌對(duì)D-Wave計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算法與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上模擬量子隧道效應(yīng)的算法進(jìn)行了比較，量子計(jì)算機(jī)再次獲得了完勝。

基于量子計(jì)算的機(jī)器，由于體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，將采用全新的算法，這使得大規(guī)模數(shù)據(jù)的計(jì)算與存儲(chǔ)不再成為難題。業(yè)界人士認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的巨大突破將為云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理乃至整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)變革。

并行計(jì)算是最大優(yōu)勢(shì)

其實(shí)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算原理和薛定諤的貓是一樣的，利用的都是“量子疊加態(tài)”。這意味著計(jì)算機(jī)能同時(shí)嘗試所有可能的解，以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

按照傳統(tǒng)算法，當(dāng)用戶(hù)需要提取某一個(gè)詞組信息或者需要解決一個(gè)問(wèn)題時(shí)，計(jì)算機(jī)要先把所有可能性列舉出來(lái)并驗(yàn)證一遍才能得到正確的信息，而量子計(jì)算機(jī)能夠直接計(jì)算并提取出相應(yīng)信息。這種計(jì)算稱(chēng)為量子并行計(jì)算，也是量子計(jì)算機(jī)最重要的優(yōu)越性。

量子計(jì)算的神奇之處在于，它可以做到真正的并行計(jì)算與存儲(chǔ)。例如，一個(gè)數(shù)位的經(jīng)典存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)兩個(gè)數(shù)字（0或者1），但在某一時(shí)刻這個(gè)數(shù)字要么是0要么是1；而對(duì)于量子比特存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，在同一時(shí)刻，它可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1，其存儲(chǔ)和運(yùn)行能力都成指數(shù)上升，一個(gè)250量子比特的存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)的數(shù)字比我們已知宇宙所有的原子數(shù)還多。

想象一下，你被要求5分鐘內(nèi)在國(guó)會(huì)圖書(shū)館某一本書(shū)的某頁(yè)上找到一個(gè)字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)槟抢镉?000萬(wàn)冊(cè)書(shū)。但是如果你處于5000萬(wàn)個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書(shū)籍，你肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就是像瘋子一樣的那個(gè)你，需要5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書(shū)。而量子計(jì)算機(jī)卻能將你復(fù)制出5000萬(wàn)個(gè)，每個(gè)只需翻找一本書(shū)即可。

這是量子計(jì)算機(jī)公司D-Wave聯(lián)合創(chuàng)始人埃里克·勒迪辛斯基對(duì)其應(yīng)用前景的解釋。谷歌和NASA聯(lián)合研究的量子計(jì)算機(jī)，其實(shí)就是從這個(gè)公司購(gòu)買(mǎi)的。2013年，谷歌從D-Wave系統(tǒng)公司購(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，并與NASA共同開(kāi)展量子計(jì)算機(jī)的研究項(xiàng)目。D-Wave系統(tǒng)公司自2007年推出首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)開(kāi)始就備受爭(zhēng)議。一些學(xué)者認(rèn)為由于量子形態(tài)并不穩(wěn)定，量子計(jì)算機(jī)只是在理論層面可行。然而這次，谷歌和NASA一同證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的可操作性。

顛覆你未來(lái)的生活

谷歌宣布D-Wave2X的速度達(dá)到了傳統(tǒng)芯片的1億倍，實(shí)在是令人驚嘆。量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)莫過(guò)于大幅縮短提取用戶(hù)所需信息的時(shí)間，因此它被認(rèn)為可以在幾天內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會(huì)花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)年時(shí)間才能處理的數(shù)據(jù)，未來(lái)的應(yīng)用前景十分令人神往。

現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)大多是基于探測(cè)數(shù)據(jù)的推測(cè)，很難保證準(zhǔn)確性。但量子計(jì)算機(jī)可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準(zhǔn)地顯示惡劣天氣會(huì)在何時(shí)何地出現(xiàn)。我們可以提前預(yù)測(cè)颶風(fēng)等極端天氣，從而預(yù)留足夠的時(shí)間拯救生命。

每天出行GPS可以幫你優(yōu)化出最佳線路，但如果有了量子計(jì)算機(jī)，我們可以把整個(gè)城市甚至整個(gè)地球上所有人的出行計(jì)劃全都輸入進(jìn)去，讓它計(jì)算出最優(yōu)解，從而讓人們徹底告別交通擁堵。

在研發(fā)藥物方面，量子計(jì)算機(jī)能夠描繪出數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的分子組成，并將其中最可能有效的組合快速識(shí)別出，顯著降低藥物的研發(fā)成本和周期。

在探索太空方面，量子計(jì)算機(jī)可以處理望遠(yuǎn)鏡視野中更多的數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)更多的行星，并迅速識(shí)別出最有可能存有生命體的行星。

盡管實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但各大公司對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究絕不會(huì)停止，因?yàn)樗茴嵏舱麄€(gè)世界。一旦計(jì)算速度出現(xiàn)質(zhì)的飛躍，我們生活的方方面面就會(huì)被改變。

“落地”仍面臨諸多難題

既然量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)研制成功，那為什么現(xiàn)在還沒(méi)有普及呢？因?yàn)椋倪\(yùn)行條件要符合三個(gè)條件：真空環(huán)境、絕對(duì)零度和磁場(chǎng)保護(hù)。

量子力學(xué)是研究微觀尺度的科學(xué)，要想控制計(jì)算機(jī)的量子位，其實(shí)就是需要操縱單個(gè)原子，因此條件非常苛刻。原子在常溫下的速度高達(dá)到數(shù)百米每秒，只有讓原子保持在極低的溫度狀態(tài)，才能受控制。所以量子計(jì)算機(jī)D-Wave2X處理器溫度一直穩(wěn)定在-273℃，只比宇宙絕對(duì)零度高0.015℃而已。

除此之外，量子計(jì)算機(jī)還要放到比地球磁場(chǎng)弱50000倍（基本相當(dāng)于沒(méi)有磁場(chǎng)）、大氣壓比地球小100億倍（基本相當(dāng)于真空）的環(huán)境中，以保持量子態(tài)的穩(wěn)定。

除了對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際落地推廣方面也會(huì)遇到一些障礙。由于量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算方法完全不同，因此編程的方式也完全不同并且更加復(fù)雜。這意味著，對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，他們要掌握一套比現(xiàn)有算法更為復(fù)雜的編程方式。

當(dāng)然，計(jì)算機(jī)還有許多需要克服的技術(shù)問(wèn)題，如量子的不穩(wěn)定性決定信息狀態(tài)不穩(wěn)定，這將影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性。

事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難，但這并不能妨礙人們進(jìn)行大膽地探索與設(shè)想，也許不久的將來(lái)量子計(jì)算機(jī)就會(huì)出現(xiàn)在我們的生活中。