IBM造了一臺(tái)可以讓任何人使用的量子計(jì)算機(jī)

史萬(wàn)春/譯

選自英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》雜志 2016年5月7日

IBM造了一臺(tái)可以讓任何人使用的量子計(jì)算機(jī)

史萬(wàn)春/譯

選自英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》雜志 2016年5月7日

利用量子力學(xué)（quantum mechanics）原理進(jìn)行計(jì)算，其速度將會(huì)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這種想法幾十年前就已經(jīng)出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代早期，有人首次提出了這種預(yù)想；但是直到20世紀(jì)90年代晚期，這種構(gòu)想才從理論家的黑板上走入現(xiàn)實(shí)，有人造出了簡(jiǎn)易的量子計(jì)算機(jī)，證明了那些黑板上的公式并非異想天開?，F(xiàn)如今，這個(gè)構(gòu)想已經(jīng)變成了公司項(xiàng)目。谷歌（Google）、微軟（Microsoft）、惠普（Hewlett-Packard）和IBM紛紛成立量子計(jì)算機(jī)研究小組。

但是量子計(jì)算對(duì)外界的影響仍然很小，部分原因是量子計(jì)算機(jī)仍然只存在于實(shí)驗(yàn)室中，只有研究人員可以鼓搗這些機(jī)器。但現(xiàn)在不同了。因?yàn)榫驮?月4日，IBM宣布將會(huì)把公司的一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)連接至互聯(lián)網(wǎng)，這樣一來(lái)任何人都可以使用這臺(tái)計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算令人激動(dòng)之處在于它提供了這樣一種可能——即以遠(yuǎn)超任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能夠達(dá)到的速度運(yùn)行某些運(yùn)算（并非所有運(yùn)算）。量子計(jì)算機(jī)的這種能力來(lái)源于兩個(gè)違反直覺(jué)的現(xiàn)象：量子疊加（superposition）現(xiàn)象和量子糾纏（entanglement）現(xiàn)象。

量子疊加讓傳統(tǒng)基本計(jì)算單元比特（bit，二進(jìn)制信息單位——譯注）變成了量子位（qubit）。一比特代表了一個(gè)可能的最小信息塊：開/關(guān)；是/否；1/0。而一個(gè)量子位則是兩種對(duì)立信息的疊加與混合。比如，一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的4比特可以代表16種不同的狀態(tài)；在某一個(gè)特定時(shí)間，該機(jī)器只能處在其中一種狀態(tài)。而量子計(jì)算機(jī)則可以處在所有16種不同狀態(tài)的疊加狀態(tài)之中。

但量子糾纏現(xiàn)象——將粒子連接到一起——才是量子計(jì)算機(jī)出類拔萃的真正原因。量子糾纏使得同時(shí)操控大量量子位成為可能，當(dāng)量子位數(shù)量增長(zhǎng)，機(jī)器能代表的狀態(tài)數(shù)也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。擁有300量子位的量子計(jì)算機(jī)能夠代表的狀態(tài)數(shù)超過(guò)了整個(gè)宇宙的原子數(shù)量。

結(jié)果就是量子計(jì)算機(jī)可以輕易處理海量數(shù)據(jù)。以往困難的任務(wù)——比如破譯密碼和模擬精確到分子的化學(xué)反應(yīng)——都可以被輕易解決。而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)則難以勝任類似這些對(duì)于各種各樣的工業(yè)流程都很重要的任務(wù)。

300量子位的量子計(jì)算機(jī)還是一個(gè)夢(mèng)想。IBM此次提供的只是一個(gè)5量子位的處理器，造在一塊超導(dǎo)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(gè)大型沖氮冰箱的底部。冰箱讓芯片保持在接近絕對(duì)零度（可能的最低溫度），從而確保芯片脆弱的內(nèi)部構(gòu)造不會(huì)被任何熱量影響。不同的量子位會(huì)響應(yīng)不同的頻率，通過(guò)向冰箱內(nèi)部傳輸小心校準(zhǔn)后的微波，研究人員可以對(duì)芯片進(jìn)行編程。

然而普通用戶并不會(huì)知道上述復(fù)雜的技術(shù)原理。這倒和音樂(lè)有一點(diǎn)像：五線譜中的每一條線代表一個(gè)量子位；一組音符就好像是一組量子操作。當(dāng)一個(gè)程序完成（IBM也用音樂(lè)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(dòng)完成接下來(lái)的工作。

《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》（The Economist）雜志記者親眼觀看了IBM項(xiàng)目主管杰瑞·周（Jerry Chow）使用量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行格羅夫算法（Grover's algorithm，一種為了搜索未分類整理數(shù)據(jù)的量子算法），確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快了許多。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會(huì)將每一個(gè)數(shù)據(jù)都搜索一遍，從而找出需要的數(shù)據(jù)（以撲克牌為例，為了搜索黑桃A，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會(huì)進(jìn)行52次搜索嘗試）。量子計(jì)算機(jī)則只需要進(jìn)行略少于總數(shù)平方根的嘗試，還是以撲克牌為例，要找到黑桃A，量子計(jì)算機(jī)只需要進(jìn)行6次搜索嘗試。

一個(gè)5量子位的芯片本身無(wú)法讓世界轟動(dòng)。麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）的量子計(jì)算研究員斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）表示，一臺(tái)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(jì)算機(jī)。據(jù)周博士所說(shuō)，IBM計(jì)劃在科技發(fā)展后，更新其量子芯片，但眼下沒(méi)有制造民用量子計(jì)算機(jī)的計(jì)劃。他只是希望能有越來(lái)越多的人了解量子計(jì)算的基本原理，并鼓勵(lì)程序員了解該項(xiàng)技術(shù)。而最好的辦法就是讓人們可以“親自”操作機(jī)器。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同的是，量子計(jì)算機(jī)計(jì)算出的答案是概率性的，而非確定性的。一個(gè)結(jié)果僅僅可能是正確的，如此一來(lái)如何利用量子計(jì)算機(jī)則變成了挑戰(zhàn)。要想獲得答案，首先人們必須對(duì)機(jī)器進(jìn)行度量。這會(huì)導(dǎo)致量子疊加效應(yīng)消失，量子計(jì)算機(jī)變得類似傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。小心仔細(xì)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(shí)獲得錯(cuò)誤答案的概率變小。

量子計(jì)算機(jī)需要人們小心保護(hù)。量子計(jì)算機(jī)的疊加狀態(tài)非常脆弱，外界一些細(xì)微的影響——一束電磁波或者細(xì)微的溫度變化——會(huì)讓其“狀態(tài)”消失無(wú)蹤。要想讓量子計(jì)算機(jī)正常工作，人們必須將它和其他所有東西隔離開來(lái)。它需要厚實(shí)的保護(hù)還有極低的溫度，這意味著量子計(jì)算機(jī)不可能被制造成桌面電腦或是智能手機(jī)。也就是說(shuō)，那個(gè)未來(lái)商用的巨大量子計(jì)算機(jī)可能和IBM現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)雛形一樣，待在遙遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)中心。它們連接著互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)傳統(tǒng)電腦的使用者需要時(shí)，它們的才華才會(huì)被喚醒。

原文標(biāo)題：Now Try This IBM Is Making a Quantum Computer Available for Anyone to Play with