计算机科学家薛来 群雄逐鹿量子计算机 科学家接近打败传统计算机
一个周日的下午,量子计算创业公司ionQ的两位联合创始人正和他们的首位受雇人——新CEO,开战略会议。坐在美国马里兰大学的物理学楼里舒适的皮椅上,两位创始人正体验着一丝文化碰撞。
这两位从事研究的科学家:马里兰大学物理学家Chris Monroe和杜克大学电子工程师Jungsan Kim很放松,甚至在记者面前大谈公司规划。他们列举了为何选择束缚离子,他们的专长将有助于打造一台伟大的量子计算机——完美的再现性、耐久性以及利用激光实现良好的可控性。
而新CEO David Moehring是Monroe和Kim刚从美国IARPA雇来的,他更警觉。他警告Monroe和Kim不要泄露创业公司应保密的信息——包括从风投那里获得的投资额。Kim对Moehring点着头并轻笑。"在某个时点,这个家伙会要求我们的谈话经过他的许可。"
黄金时代
不过,这几个看似不可能的合伙人都有一个共同的信念:量子计算已经准备迎来黄金时期。该技术旨在利用量子力学大幅加速计算。他们并非孤军奋战。科技巨头英特尔、微软、IBM和谷歌正投入数千万美元到量子计算。然而这些竞争者正将赌注下给不同的技术黑马:无人知晓驱动一台实用的量子计算机需要什么类型的量子比特。
谷歌常被视为这一领域的领头羊,该公司已经宣布了其选择:微型超导电路。其研究团队打造出一台9量子比特的机器,并希望一年内扩展至49量子比特——这是一个重要门槛。在50量子比特阶段,许多人认为一台量子计算机就可以成为"量子霸权"。
这是加州理工物理学家John Preskill创造的词汇,以表示一台可以完成超越传统计算机的量子计算机,比如模拟化学和材料科学分子结构或解决机器学习中的某些问题。
ionQ团队并没有被谷歌的成功所折服。"我并不担心谷歌会在下个月宣布游戏结束。"Kim说,"或者他们可以这么宣布,但游戏并未结束。"
但ionQ有很多劣势——没有专门的办公室,甚至还没有网站。这家创业公司仍然在坚持束缚离子,这也是世界上最早的量子逻辑门背后的技术,由Monroe本人在1995年亲自帮助创造出来的。使用精准调制的激光脉冲,Monroe可以将离子激发到可以维持数秒的量子态——这比谷歌的量子比特维持时间长多了。Kim已经开发出了一个可以将离子群连接到一起的模块化方案。
到目前为止,其中最好的成绩也不过是实现了5个量子比特的可编程机器。Monroe承认:"束缚离子现在有点像怪物,但我认为未来几年人们会蜂拥而至。"
有 一件事是确定无疑的:打造一台量子计算机已经不再是一些科学家的遥远梦想了,而是成了一些最大型公司的直接目标。尽管对产业界玩家而言,超导量子比特可能 已经获得了领先的发展势头,但相关专家都认为现在要说哪种技术已获胜还为时尚早。"这些技术在齐头并进地开发着,这是件好事。"Preskill说,"还可能会有惊喜,并改变现在的局面。"
快并脆弱
量子比特能秒杀传统计算机比特得益于两个独特的量子效应:量子叠加和量子纠缠。量子叠加能让一个量子比特的值不单止于0或1,而是在同一时间同时具备这两种状态,这可以实现同步计算。量子纠缠能让一个量子比特与空间上独立的其他量子比特共享自身状态,创造出一种超级叠加,每个量子比特的处理能力因此翻倍。理论上,只要300全纠缠的量子比特就能支持比宇宙中原子数量更多的平行计算。
这种大规模并行可能在很多任务上并没有价值——没有人认为量子计算机会彻底改变文字处理或电子邮件。但其可以极大地加速被设计用来同时探索大量不同路径的算法,例如,大数据搜索和发现新型的化学催化剂。量子计算机也可以在物理学领域被用来模拟黑洞或其他现象。
但还有很多工作要做。量子叠加态和纠缠态非常脆弱。来自环境的轻微扰动就能将其破环——甚至对其进行观测就会破坏其状态。量子计算机需要被保护起来,以免受耶鲁大学物理学家Robert Schoelkopf所说的"经典混沌之海"的干扰。
虽然相关理论在20世纪80年代初就开始萌芽,但实验量子计算直到1995年才得以发展。1995年,新泽西州贝尔实验室一位名叫Peter Shor的数学家,证明了运用量子计算机能有效地进行大数的因式分解,这种能力使得现代密码学在量子计算机面前变得不堪一击。
Shor和其他一些学者也证明,从理论上说通过邻近的量子比特来纠正错误,一直保持脆弱量子比特的稳定性是可能实现的。
一时间,许多物理学家及其资助人也都开始研发量子计算机,并且表明这个机器不会变成一大堆级联错误。诺奖得主、科罗拉多州博尔德国家标准技术研究所(NIST)物理学家David Wineland,率先提出了激光冷却离子并控制其内部量子态的方法。
在Shor的研究发布之后不到一年,Wineland和当时供职于NIST的Monroe就通过用激光控制铍离子中的电子态的方法,建立了第一个量子机制逻辑门。Monroe说:"正是因为Wineland在离子方面的研究,我们才能在早期的量子计算实验中把握领先趋势。"
多管齐下
随着世界各地政府将大把经费投向量子物理研究团体,其他一些类型的量子比特开始出现了。21世纪初,束缚离子的概念受到了另一个新概念的挑战:由超导体制成的回路。这里所使用的超导体是一种带有振荡电路的金属材料,其在冷却到接近绝对零时没有电阻。
量子比特的0和1与不同的电流强度相对应。回路通过肉眼便可以观察,不需要用到激光,用简单的微波电子技术就可以控制,制作过程只需要使用常规的计算机芯片制造技术。此外,回路的运行也非常快。
但超导体有一个致命的弱点:环境噪音。即使是用来控制它们的电子设备,都能在不到一微秒内打乱其量子叠加态。但工程技术的发展已经将回路的稳定性提高了至少100万倍,所以现在它们保持叠加态的时间可以达到几十微秒,虽然维持时间仍比离子短得多。
2007年,加拿大本那比D-Wave Systems公司发布了一则令人震惊的消息,它宣布研制成功了16个量子比特的超导量子计算机。该计算机所依赖的是一种叫做量子退火的技术,在这种技术当中,量子比特可以和邻近的量子比特纠缠,交互产生一个单独的整体量子态,而不是一系列并行计算。
尽管批评声接踵而至:D-Wave甚至没有尝试解决那些对量子计算来说至关重要的问题,例如纠错。但各大公司仍对这种设备趋之若鹜,谷歌和洛克希德马丁公司都成了D-Wave的客户。D-Wave让一些公司开始展开思路。"它让我们睁开了双眼,D-Wave的出现预示着这个市场正在形成,需求已经出现。"Monroe说。
而英特尔在2015年宣布,将对源自荷兰代尔夫特科技大学的QuTech公司投入5000万美元,开发硅量子点。它也经常被称为"人工原子",每个点量子比特是一块小材料,其中结构就像原子一样,电子的量子态可以用来表示0和1。不同于离子或原子,量子点不需要用激光。"我认为英特尔的心脏是由硅组成的。"QuTech科学总监Leo Kouwenhoven说,"这就是为什么他们拥有如此地位的原因。"
微软的行动看起来更加有远见:基于非阿贝尔任意子的拓扑量子比特。而谷歌已经招募到了加州大学圣塔芭芭拉分校超导量子比特专家John Martinis。7月,Martinis的团队用3个超导量子比特成功地模仿了一个氢分子的基态能,证明量子计算机和常规计算机一样具备模拟简单量子系统的能力。
与此同时,Monroe正在和束缚离子研究中遇到的挑战"缠斗"。束缚离子的量子比特可以维持数秒的稳定,这一特性得益于真空腔和电极的作用,它们可以在外部噪声存在的情况下维持量子比特的稳定。
即使有大量资金投入,量子计算成为一个秘密商业领域还有很长的路要走。更重要的是,没有人足够了解量子计算,所以也就没人能说用哪一种量子比特就能实现量子计算机。在扩展实用的量子计算机之前,每一种方面都还需要经过精心的调制细化。超导基量子比特和硅基量子比特需要在更大的一致性下制造,而冷却设备需要高效化。同时束缚离子需要更快的逻辑门和更紧凑的激光与光学器件。拓扑量子位也还需要被创造。
未来的量子计算机很可能是一个混合物,它利用超快的超导量子比特运行算法,然后用更稳定的离子内存输出,同时使用光子在该机器的不同部分之间或量子网络节点之间穿梭传递信息。微软研究人员Krysta Svore说:"可以想象我们会身处这样一个境地:有几类量子比特,它们各自扮演不同角色。"(张章编译)
