五年內(nèi)，世界第一臺(tái)實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)將誕生

　　相信很多人已經(jīng)不會(huì)對這樣的新聞感到陌生：“量子計(jì)算機(jī)即將發(fā)現(xiàn)大量新藥，以治愈頑疾!”“量子計(jì)算機(jī)將深入分析全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而找到克服貧困與不平等等問題的方案!”

　　這些結(jié)論到底靠不靠譜?很難講。我們實(shí)際上無法確定真正的量子計(jì)算機(jī)會(huì)以怎樣的面貌出現(xiàn)——不過這也并不影響我們的興奮之情。

　　我們甚至可以說，量子計(jì)算機(jī)本身也處于量子態(tài)當(dāng)中——其正在徹底改變世界，但正是也仍然是個(gè)遙遠(yuǎn)的夢想。

　　不過現(xiàn)在，美國國家科學(xué)基金會(huì)計(jì)劃將量子計(jì)算機(jī)從理想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)——即在研究實(shí)驗(yàn)室中加以實(shí)現(xiàn)。而且，該基金會(huì)愿意為此投入大量資源。

　　今年8月，科學(xué)基金會(huì)公布了量子協(xié)調(diào)計(jì)算的軟件定制架構(gòu)(Software-Tailored Architecture for Quantum co-design，簡稱STAQ)項(xiàng)目。物理學(xué)家、工程師、計(jì)算機(jī)科學(xué)家以及其他眾多研究人員將齊聚一堂，共同在五年時(shí)間內(nèi)投入1500萬美元開展這項(xiàng)研究工作。

　　其目標(biāo)在于從零開始打造出世界上第一臺(tái)實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)——且要求不只是概念驗(yàn)證方案，而是真正用于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的新一代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)成果。

　　這里先介紹一點(diǎn)背景：經(jīng)典計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算機(jī)之間存在著一些顯著差異。相較于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中使用的要么為0、要么為1的二進(jìn)制比特位狀態(tài)，量子位(qubit)可以同時(shí)既為0、又為1。利用這些量子位進(jìn)行信息傳輸或者進(jìn)行計(jì)算的量子電路，被稱為量子邏輯門; 正如經(jīng)典電路控制型計(jì)算機(jī)電路中的電流一樣，這些邏輯門將通過光子或者所捕獲的離子控制各個(gè)量子位。

　　為了開發(fā)真正具備實(shí)用性的量子計(jì)算機(jī)，科學(xué)家們需要弄清楚如何改進(jìn)我們用于構(gòu)建物理設(shè)備的硬件，以及運(yùn)行于其上的軟件。更具體地講，這意味著需要弄清楚如何能夠容納大量易于出錯(cuò)的量子位的系統(tǒng)，并確定如何在面對大量噪聲干擾時(shí)對查詢指令做出正確的響應(yīng)。其中一項(xiàng)重要手段，可能在于構(gòu)建自動(dòng)化工具，以優(yōu)化某些算法與特定硬件之間的映射方式，從而一舉解決這兩大難題。

　　為了更好地理解這個(gè)項(xiàng)目可能帶來的成果，我們采訪了負(fù)責(zé)STAQ項(xiàng)目的杜克大學(xué)工程師Kenneth Brown。另外，我們還提供相關(guān)超鏈接以補(bǔ)充Brown給出的答案。

　　記者：我們聽到不少關(guān)于量子計(jì)算的表述，但大多非常抽象且偏于理論——很多研究都有望將量子計(jì)算機(jī)變成現(xiàn)實(shí)，但卻沒有提到如何具體實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。您的團(tuán)隊(duì)能夠做些什么來克服這道其他人無法逾越的鴻溝?

　　Kenneth Brown(以下簡稱KB)： 我認(rèn)為最重要的一點(diǎn)，是強(qiáng)調(diào)量子計(jì)算機(jī)可以用各種材料制造而成。在這方面，我通常會(huì)將其與經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行類比。第一代經(jīng)典計(jì)算機(jī)只有齒輪，因?yàn)檫@幾乎已經(jīng)代表著當(dāng)時(shí)我們擁有的最先進(jìn)的技術(shù);此后經(jīng)典計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了真空管階段，性能有了極大的飛躍;接下來，第一個(gè)硅晶體管開始出現(xiàn)。但大家一定要記住，最初的晶體管根本無法與真空管相匹敵。有時(shí)候，我認(rèn)為當(dāng)時(shí)的人們甚至沒有意識到晶體管是如此重要的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。

　　量子計(jì)算同樣需要經(jīng)歷這樣的過程。目前有多種方法可以表示量子信息，當(dāng)下已經(jīng)證明最具實(shí)用性的兩種技術(shù)，分別是超導(dǎo)量子位與捕獲離子量子位。二者有所不同，也各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在我們的小組中，我們一直專注于捕獲離子量子位的研究。

　　對于捕獲離子量子位，有趣的一點(diǎn)在于在數(shù)十個(gè)離子的小范圍之內(nèi)，所有量子位都是直接對接的。這與固態(tài)系統(tǒng)中的超導(dǎo)機(jī)制完全不同。在超導(dǎo)機(jī)制中，我們必須與附近的量子位進(jìn)行通信。因此，我認(rèn)為我們已經(jīng)有能力建立起非常具體的計(jì)劃，用以實(shí)現(xiàn)32量子位。這一點(diǎn)相當(dāng)明確。我們希望進(jìn)一步將其擴(kuò)展至64量子位左右，當(dāng)然這還需要一些新的研究作為支持。

　　記者： 與研究量子計(jì)算機(jī)的其他各方相比，您的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案為何能夠?qū)崿F(xiàn)“實(shí)用性”?

　　KB： 我認(rèn)為目前技術(shù)行業(yè)已經(jīng)在努力構(gòu)建這些實(shí)用型設(shè)備。其中真正的區(qū)別體現(xiàn)在學(xué)術(shù)方面，我認(rèn)為我們的思路將做出更多探索，旨在制造出一臺(tái)實(shí)體設(shè)備，供人們進(jìn)行架構(gòu)測試以及應(yīng)該在哪些具體應(yīng)用上采取截然不同的實(shí)現(xiàn)思路。

　　這里僅舉一例，IBM公司已經(jīng)擁有自己的量子設(shè)備(去年底，IBM研制出50量子位的量子計(jì)算機(jī))。我實(shí)際上通過其它項(xiàng)目與IBM方面進(jìn)行了合作，我認(rèn)為他們也抱有非常開放的心態(tài)。但就目前來講，這臺(tái)量子設(shè)備的交互方式仍然處于一定的抽象層級(人們可以對這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線查詢，但無法變更其編程方式)。換言之，大家無法對其編程方式進(jìn)行優(yōu)化。這里就存在一定的妥協(xié)：他們的計(jì)算機(jī)完全能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)訪問，但為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性，他們必須關(guān)閉一些功能。(IBM的量子計(jì)算機(jī)目前以隔離方式運(yùn)行并計(jì)劃供更多研究人員使用，因此用戶無法針對任何特定任務(wù)對其進(jìn)行調(diào)整。)

　　因此，我們的目標(biāo)是讓設(shè)備達(dá)到同樣的實(shí)用性水平，但同時(shí)又允許研究人員使用全部功能。

　　記者：量子計(jì)算將給普通人的生活帶來怎樣的影響?

　　KB： 我認(rèn)為從長遠(yuǎn)角度來講，量子計(jì)算與通信將改變我們處理互聯(lián)網(wǎng)上編碼信息的方式。事實(shí)上，在谷歌Chrome瀏覽器當(dāng)中，用戶已經(jīng)可以將加密方式切換為后量子時(shí)代下的加密設(shè)置。

　　第二點(diǎn)，我認(rèn)為人們還沒有考慮到分子構(gòu)成對材料造成的全部影響——從日常用品到特定新藥都可能涵蓋于其中。因此，如果量子計(jì)算機(jī)能夠以高效且準(zhǔn)確的方式計(jì)算這些分子特性，我們無疑期待看到這一切將給未來的材料科學(xué)與藥學(xué)帶來怎樣的顛覆。

　　但關(guān)于家用計(jì)算機(jī)的使用方式，我想大多數(shù)人仍然是借此觀看網(wǎng)飛劇集或者偶爾發(fā)送一封電子郵件之類，在這方面量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)其實(shí)并不會(huì)造成太大的影響。

　　所以這個(gè)問題就很有趣——我不知道量子計(jì)算機(jī)的真正用戶群體在哪里。當(dāng)初經(jīng)典計(jì)算機(jī)真正問世后，人們也曾抱有同樣的印象。他們可能認(rèn)為這些計(jì)算機(jī)只適用于負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室工作的科學(xué)家。但實(shí)際情況并非如此，所以對于量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際用途，我也抱有開放性的心態(tài)。

　　記者： 什么樣的人可以使用量子計(jì)算機(jī)?您打算如何培訓(xùn)用戶來使用量子計(jì)算機(jī)，未來的量子計(jì)算又會(huì)發(fā)展到怎樣的水平?

　　KB： 在我向他人解釋量子計(jì)算時(shí)，如果對方擁有量子力學(xué)的物理或者化學(xué)相關(guān)知識，那么我通常會(huì)以此為起點(diǎn)將其解釋計(jì)算原理。從另一個(gè)角度來談也可以：如果對方非常了解計(jì)算，我也可以以此為基礎(chǔ)解釋量子計(jì)算所帶來的額外能力。

　　未來，我們可能面對來自這兩類學(xué)科的培訓(xùn)對象。我們需要具備物理科學(xué)背景的成員才能在計(jì)算機(jī)科學(xué)方面加快進(jìn)度，反之亦然。

　　至于具體舉措，我們打算建立量子時(shí)期培訓(xùn)班，基本思路是引入業(yè)內(nèi)人士，包括優(yōu)秀的微波工程師或者軟件工程師，嘗試為他們提供充足的工具以幫助其思考如何適應(yīng)量子計(jì)算帶來的額外規(guī)則。

　　記者： 您需要完成哪些新研究，才能構(gòu)建起這臺(tái)設(shè)備?具體需要進(jìn)行哪些工作?

　　KB： 我們已經(jīng)有了一些想法。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，我們使用的是電壓; 但在量子計(jì)算中，我們需要以某種方式將信息從一個(gè)位置傳送到另一個(gè)位置。負(fù)責(zé)將信息傳遞至計(jì)算機(jī)其它部分的信使量子位必須與構(gòu)成計(jì)算機(jī)其余部分的量子位屬于相同類型嗎?關(guān)于這一點(diǎn)，我們還不確定。

　　在考慮對復(fù)雜量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)展方面，目前通行的方法被稱為CCD架構(gòu)(http：//iontrap.umd.edu/wp-content/uploads/2012/12/Architecture-for-a-large-scale-ion-trap-quantum-computer.pdf)。其基本思路在于建立起能夠由某一點(diǎn)穿梭至另一點(diǎn)的可控離子鏈。這是其中的一種可能性。

　　目前的一些理論研究工作，主要關(guān)注是否能夠在離子鏈之間實(shí)現(xiàn)光子互連。各類超級計(jì)算機(jī)都在考慮利用光子充當(dāng)這些信使量子位。通過這種方式，我們基本上相當(dāng)于建立起一大堆由光子連接起來的小型量子計(jì)算機(jī)，而連接而成的體系則可作為一臺(tái)規(guī)模更大的計(jì)算機(jī)。

　　但這樣的目標(biāo)恐怕更為遙遠(yuǎn)。我認(rèn)為在未來五年之內(nèi)，我們需要解決最重要的傳輸帶寬挑戰(zhàn)。如果能夠成功，那么這將是一項(xiàng)了不起的成就，并真正打開通往新時(shí)代的大門。

　　記者：一路走來，您是如何判斷研究工作是否取得切實(shí)進(jìn)展的?您是否建立起相關(guān)的判斷基準(zhǔn)?您如何測試以確定現(xiàn)有成果能夠正常工作?

　　KB： 在硬件方面，我們可以增加量子位數(shù)量并建立起更完善的邏輯門(大家應(yīng)該還記得，邏輯門就是負(fù)責(zé)移動(dòng)離子或者光子以傳遞信息的東西)，這就是所謂切實(shí)的進(jìn)展。我們有一種感覺，即使數(shù)字不斷上漲，我們也至少需要突破50量子位這一難關(guān)才算真正有所成就。(截至今年3月，谷歌公司一直保持著72量子位系統(tǒng)的世界紀(jì)錄。)

　　與此同時(shí)，我們還將采用我們所知道的算法與應(yīng)用程序，并將其映射到新的硬件之上。我們將嘗試優(yōu)化算法，并以不易受噪聲影響的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序整體映射。

　　在運(yùn)行這些應(yīng)用程序之前，我們需要建立起一整套關(guān)于其在測試及一般性應(yīng)用中失敗頻率的經(jīng)驗(yàn)法則。但在我們的團(tuán)隊(duì)對軟件進(jìn)行優(yōu)化之后，其失敗頻率應(yīng)該會(huì)低得多。這將有助于我們在算法領(lǐng)域進(jìn)行更多探索，因?yàn)檫@將使我們有信心將量子計(jì)算機(jī)的復(fù)雜程度提升至新的高度。我認(rèn)為最重要的是確保擁有充足的探索空間，審視人們目前還沒有考慮到的問題。

　　記者：你遇到過的，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)最糟糕的誤解是什么?人們對量子計(jì)算機(jī)存在哪些常見的錯(cuò)誤看法?

　　KB： 其中最大的誤區(qū)在于，人們會(huì)將量子計(jì)算視為一種魔術(shù)。實(shí)際上，量子計(jì)算機(jī)并不是什么魔術(shù)，它也解決不了所有問題。

　　實(shí)際情況是，在經(jīng)典計(jì)算中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些易于解決的問題，也會(huì)遭遇一些很難解決的問題。這意味著我們無法在多項(xiàng)式時(shí)間(一條計(jì)算機(jī)術(shù)語，用于表達(dá)計(jì)算機(jī)能夠快速完成任務(wù))內(nèi)將其解決。

　　事實(shí)證明，我們耗費(fèi)了大量計(jì)算能力來解決在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)無法解決的問題，但最終仍然只能獲得近似值結(jié)果。

　　量子計(jì)算機(jī)允許我們解決一些在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上難以處理的問題，但卻無法解決所有這類問題。一般來講，最讓我無法接觸的是很多量子計(jì)算文章中提到其能夠馬上解決所有問題，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)能夠同時(shí)進(jìn)行無限的并行計(jì)算。

　　如果量子計(jì)算機(jī)能夠研制成功，那么我無疑會(huì)對此感到非常興奮。有那么一類問題，最著名的就是旅行商問題——我們知道無法處理所有可能的銷售人員工作路線，但卻又必須找到最優(yōu)的解法。經(jīng)典計(jì)算機(jī)竭盡所能仍然無法達(dá)成目標(biāo)，而給出的結(jié)果可能還是無法令人滿意。沒關(guān)系，人們會(huì)想，“好吧，計(jì)算機(jī)有時(shí)候也會(huì)犯錯(cuò)?！?/p>

　　而一旦擁有了大型量子計(jì)算機(jī)，我們可以更準(zhǔn)確地測試這類算法。同樣的，我希望人們也能夠在解決眾多經(jīng)典問題的同時(shí)，意識到這種新型計(jì)算機(jī)偶爾也會(huì)犯錯(cuò)。

　　我是個(gè)很樂觀的人。我想，正是這種天性讓我選擇了這樣一個(gè)充滿不確定性的研究領(lǐng)域。