谷歌公司向量子計算邁出了一大步

Chris Palmer

2019年10月，谷歌公司的科學家們宣布，其量子計算機能在200 s內解決一個傳統(tǒng)計算機得花費數(shù)年（據(jù)谷歌公司估計為10 000年）時間才能解決的問題，這一消息發(fā)布后引起了計算機界的熱議[1]。這項成就遭到了國際商用機器公司（International Business Machines Corporation, IBM）的科學家們的質疑，以及被該領域的許多專家認為太深奧而不予重視，但它向谷歌公司的研究人員發(fā)出信號，即量子計算機可以實現(xiàn)“量子至上”，并且在某些任務上，量子計算機的表現(xiàn)甚至超越了世界上最強大的傳統(tǒng)計算機。未來，量子計算機（如谷歌公司的量子計算機）將具有更穩(wěn)健的性能和更強大的功能，它可以利用亞原子級的物質特性來顯著提高計算機的處理能力，這可能會給計算、加密數(shù)據(jù)以及自然界中一些最神秘方面的研究帶來革命性的變化。

“這無疑是一個重要的結果，說明量子計算機可以在絕對短的時間內（與傳統(tǒng)計算機相比）完成特定任務，”美國洛杉磯南加利福尼亞大學（University of Southern California, USC）的工程學教授、量子信息科學技術中心主任、Lockheed Martin量子計算中心聯(lián)合主任Daniel Lidar說道?！氨M管谷歌公司解決的問題非常具體，也沒有被認為特別有用，但是，對于在未來10年內能夠看到非常實用的量子計算機的出現(xiàn)，我并不會感到驚訝。量子模擬看起來很逼真并且它很有前途，通過這種模擬，量子計算機可以模擬另一個量子系統(tǒng)及其模型。”

雖然10年的時間似乎很遙遠，但量子計算的起源可以追溯到1981年，同年IBM公司發(fā)布了它的第一臺個人計算機。在1981年的一次演講中，物理學家Richard Feynman提出，基于量子力學規(guī)則的計算機可以很好地模擬量子力學現(xiàn)象，如化學反應和電子在半導體中的流動[2]。這樣的計算機利用的是量子系統(tǒng)所獨有的糾纏現(xiàn)象，即兩個粒子（或多個粒子）即使相距很遠，它們似乎也以協(xié)調的方式運行著。這些神秘的聯(lián)系使得量子系統(tǒng)很難通過傳統(tǒng)計算機進行模擬。我們預計的是，量子計算機將被證明更適合解決復雜的問題，如設計更好的藥物和更高效的太陽能電池。

而且，與普通計算機相比，量子計算機有潛力以更快的速度進行計算。標準計算機可以存儲數(shù)據(jù)并使用1位或0位進行計算。然而，量子計算機使用量子位元，這些量子位元可以同時為1位和0位，至少在它們被測量之前是這樣，而且它們的狀態(tài)是已知的。 因此，每增加一個量子位元，狀態(tài)的總數(shù)就會增加一倍。一個量子位元是兩種可能的狀態(tài)，兩個量子位元是4種可能的狀態(tài)，三個量子位元是8種可能的狀態(tài)，依此類推。當?shù)竭_100個量子位元時（假設這些量子位元表現(xiàn)良好），地球上的每個原子將都需要儲存用于描述量子計算機狀態(tài)的比特[3]。

谷歌公司通過將由超導金屬環(huán)組成的量子位元串在一起建造了量子計算機，這些超導金屬環(huán)被屏蔽在一個溫度保持在絕對零度以上的房間里，并且不受嘈雜的非量子世界的干擾（圖1）。谷歌公司最近通過一項突破性實驗測試了它的量子計算設備（一個名為Sycamore的54個量子位元陣列的設備）（圖2）是否可以正確驗證量子隨機數(shù)生成器的結果。Sycamore在200 s內對隨機量子電路進行了100萬次采樣。該團隊在傳統(tǒng)計算機上模擬相同的量子電路時發(fā)現(xiàn)，即使是世界上最強大的IBM的Summit超級計算機也需要大約10 000年的時間才能完成相同的任務[1]。Lidar說：“除了驚人的速度之外，谷歌公司在能耗方面也取得了明顯的勝利?！彼赋?，運行Sycamore僅需要幾千瓦的功率，而運行Summit則需要幾兆瓦。

圖1. 藝術家通過將谷歌公司的Sycamore處理器嵌入到一個低溫恒溫器設備中對其進行再現(xiàn)，該設備可以將處理器的量子位元冷卻到絕對零度以上的幾分之一。低溫有助于防止噪聲干擾量子位元。圖片來源：Forest Stearns，Google AI Quantum Artist in Residence（CC BY-ND 4.0）。

該領域的一些專家將谷歌公司的成就比作萊特兄弟1903年的第一次飛行，因為這只是在概念上證明了這一想法，其實際應用尚需時日。其他研究人員對這一里程碑式的發(fā)現(xiàn)不予理會，因為該計算太過具體，且其不太可能被應用于更普遍的計算應用程序。此外，IBM的科學家發(fā)表了一篇博客文章稱，理論上，他們可以在不到兩天半的時間內通過Summit超級計算機運行量子計算 [4]。

盡管量子計算還處于起步階段，但資金已被源源不斷地注入該領域。因為量子計算特別適用于分解大量數(shù)據(jù)（這是許多現(xiàn)代數(shù)據(jù)加密方案的關鍵之處），所以世界各國都將其視為國家安全的重中之重。中國（4億美元）[5]、美國（12億美元）[5]和歐盟（11億美元）[6]都投入了大量資金。此外，包括阿里巴巴、百度、谷歌、惠普、華為、IBM和騰訊[7]在內的多家計算機巨頭都在進行自己的量子研究。初創(chuàng)企業(yè)也希望在該行業(yè)立足，私人投資者在2017年和2018年向數(shù)十家初創(chuàng)公司投資了4.5億美元[7]。

圖2. 谷歌公司的Sycamore處理器有54個量子位元（在量子計算機中存儲和處理數(shù)據(jù)的基本單位）排列在二維網(wǎng)格中，其中每個量子位元都與其他4個量子位元相連。這種架構為芯片提供了足夠的連通性，以使量子位元狀態(tài)能夠在整個處理器中進行快速交互，從而使Sycamore處理器即使在執(zhí)行非常具體（但不是特別有用）的任務方面甚至也勝過最強大的傳統(tǒng)計算機。圖片來源：Erik Lucero / Google （CC BY-ND 4.0）。

然而，在利用量子計算能力解決實際問題之前，有一個主要障礙需要我們克服，即量子位元的出錯問題。環(huán)境中的噪聲，包括機械振動、溫度變化或雜散電磁場，會削弱量子位元之間的協(xié)調性。這可能會降低機器的可靠性。一種潛在的解決方案是向系統(tǒng)中添加錯誤糾正例程。然而，量子計算涉及每個量子位元需要至少5 個糾錯量子位元[8]。額外的量子位元會增加計算成本和復雜程度。谷歌公司最大的量子計算機有72個量子位元，但是，考慮到噪聲問題、其他低效來源，以及將量子位元以一種可以解決各種各樣問題的方式組合在一起所面臨的挑戰(zhàn)，據(jù)估計，一臺通用量子計算機大約需要100 萬個量子位元[9]。

為了繞開量子位元的挑剔本質，一些研究小組正在采用一種不同的硬件方法。微軟公司正在嘗試使用一種被稱為拓撲的模糊的數(shù)學理論來創(chuàng)建一種新型的量子位元，這種量子位元要比當前系統(tǒng)中使用的量子位元強大得多[10]。一家位于美國馬里蘭大學帕克分校的初創(chuàng)公司IonQ正在嘗試使用激光讀取被困在磁場中的鐿離子的量子狀態(tài)[7]。另一家位于美國加利福尼亞州帕洛阿托市的初創(chuàng)公司PsiQuantum正在嘗試通過在硅片上鋪設軌道來引導光子產(chǎn)生量子位元[7]。這種方法的好處是，量子位元可以在現(xiàn)有的半導體制造廠中產(chǎn)生。該公司認為，它可以用大約8年的時間制造出一臺百萬量子位元的量子計算機[7]。

鑒于單個量子位元的預期脆弱性，Sycamore似乎是一個相當強大的系統(tǒng)。Lidar說：“除了解決隨機數(shù)問題，我對Sycamore量子位元極高的校準和控制水平，以及相對較低的去相干性和噪聲都印象深刻?！?/p>

不過，總的來說，需要我們克服的其他技術障礙令許多專家感到擔憂。在2018年12月的一份報告中，美國國家科學院、國家工程院和國家醫(yī)學研究院警告說，如果量子計算機的實際效用不能很快顯現(xiàn)，投資可能會耗盡[11]。位于美國俄克拉荷馬州斯蒂爾沃特市的俄克拉荷馬州立大學（Oklahoma State University）的工程學教授Subhash Kak說：“沒有人想錯失良機，但我認為，在某一時刻，我們將很難重新審視技術所處的地位和所面臨的挑戰(zhàn)?！?Kak在量子力學和密碼學方面發(fā)表了大量著作。他認為，任何數(shù)量的糾錯量子位元都不能解決與噪聲相關的問題?！熬臀覀€人而言，我相信它們永遠不會以商業(yè)規(guī)模的形式進行建造?！?他說，“因此，現(xiàn)在所發(fā)生的一切都是對基礎科學的大規(guī)模投資，這未必是一件壞事?！?/p>

然而，Lidar則更為樂觀?！白?0世紀90代中期以來，量子計算在本質上已經(jīng)從一種理論活動轉變?yōu)橐环N以硬件為基礎的快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，而且全球有成千上萬的活躍的研究人員得到了大量資金的支持?！彼f，“就量子計算本身而言，谷歌公司已經(jīng)展示了一種通往量子系統(tǒng)的途徑，該系統(tǒng)在無需進行過多工程創(chuàng)新的條件下就可以擴展至數(shù)百個量子位元。而且，到那時，模擬量子系統(tǒng)的模型將變得非常有趣?！?/p>