據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站8月31日?qǐng)?bào)道，在美國(guó)加尼福利尼亞州某地，谷歌正在建造一臺(tái)裝置，這個(gè)裝置將很有可能在明年年底建成，并開啟計(jì)算機(jī)的全新時(shí)代?！秴⒖枷ⅰ?月6日援引該報(bào)道稱，“這是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，是一臺(tái)史上最大的量子計(jì)算機(jī)，它的建造一勞永逸地證明了這一開發(fā)新奇物理學(xué)疆域的機(jī)器完全可以超越全球最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)。”

　　那么，在中美爭(zhēng)建量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)賽中，谷歌領(lǐng)先了嗎？

　　為什么量子計(jì)算機(jī)能超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)

　　量子計(jì)算是一種基于量子效應(yīng)的新型計(jì)算方式?；驹硎且粤孔游蛔鳛樾畔⒕幋a和存儲(chǔ)的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計(jì)算任務(wù)。

　　基于量子疊加性原理，一個(gè)量子位可以同時(shí)處于0狀態(tài)和1狀態(tài)，N個(gè)量子位可同時(shí)存儲(chǔ)2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨N呈指數(shù)增長(zhǎng)。同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)操作一次等效于電子計(jì)算機(jī)要進(jìn)行2的N次方次操作的效果……等于是一次演化相當(dāng)于完成了2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)的并行處理，這就是量子計(jì)算機(jī)相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

　　量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)也十分明顯，特別是在超并行計(jì)算能力方面，大幅優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。例如，求一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前最好的經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能需要上千年的時(shí)間來完成，而量子計(jì)算機(jī)原則上可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。因此，量子計(jì)算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢(shì)，是新概念高性能計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　谷歌想用50個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)

　　谷歌想要建造一個(gè)超越傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)早已不是什么新聞。

　　2013年，谷歌就對(duì)D-Wave量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，希望能夠弄清楚它是怎樣改善搜索功能和人工智能的。

　　2014年，谷歌招聘了加州大學(xué)知名物理學(xué)家John Martinis，致力于開發(fā)自己的超導(dǎo)量子位。在去年12月，谷歌就曾公布其量子計(jì)算機(jī)D-Wave2X，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室還曾宣布，其量子計(jì)算機(jī)D-Wave2X的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片上運(yùn)行的模擬裝置快1億倍。

　　近期，根據(jù)外媒的報(bào)道，“多名了解谷歌研究進(jìn)展的科學(xué)家表示，在某些計(jì)算方面，包含50個(gè)量子位的量子芯片已經(jīng)比傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大，而在兩到三年內(nèi)能夠研制出這樣的計(jì)算機(jī)已經(jīng)不是什么難事。”《參考消息》也稱，“谷歌想用50個(gè)量子比特來完成這個(gè)任務(wù)，50個(gè)量子比特是一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，但并非遙不可及”。

　　此前，另一篇關(guān)于谷歌量子計(jì)算機(jī)的報(bào)道中稱，“全球首款商用的量子計(jì)算設(shè)備正是基于AQC技術(shù)……在研究中，谷歌的團(tuán)隊(duì)采用了9個(gè)固態(tài)量子位。這些量子位由十字形的鋁制薄膜制成，寬度約為400微米。隨后，這些量子位被固定在藍(lán)寶石表面上。研究人員將這些鋁制薄膜的溫度降低至0.02開爾文(約零下273攝氏度)，使金屬成為超導(dǎo)體，電阻完全消失。利用這些超導(dǎo)態(tài)的量子位，研究人員可以向其中編碼信息?！?/p>

　　50個(gè)量子比特表述不明確

　　量子比特可以分為物理比特和邏輯比特。物理比特并不穩(wěn)定，可能現(xiàn)在有10余個(gè)物理比特，但很快就喪失了。因此，不得不通過糾錯(cuò)碼過程對(duì)10余個(gè)物理比特做冗余，最后生成了一個(gè)邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯(cuò)特性。

　　量子計(jì)算要產(chǎn)生相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算足夠多的優(yōu)勢(shì)，有效的邏輯比特的數(shù)目必須要大于30的情況下才行，要做出真正的量子計(jì)算機(jī)則需要幾百上千物理比特。

　　雖然外媒聲稱谷歌計(jì)劃完成50個(gè)量子比特的目標(biāo)，但并未說明是物理比特還是邏輯比特，如果是邏輯比特，就量子位的數(shù)量而言，確實(shí)是夠了，但如果是物理比特，50個(gè)物理比特距離超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)依舊有相當(dāng)大的差距。有專家認(rèn)為，國(guó)外媒體之所以會(huì)采用這樣不明確的說法，一種可能是媒體本身不專業(yè)，但也不排除另一種可能性，那就是谷歌展示控制大量的物理比特的做法是在量子計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域宣誓其地位，雖然不見得這么快就能做到業(yè)界認(rèn)為能達(dá)到的狀態(tài)，但因?yàn)樵挍]說全，不夠明確，即便有人想嚴(yán)格追究也拿它沒轍。

　　谷歌曾經(jīng)公布的D-Wave是量子退火機(jī)

　　量子退火算法則是量子力學(xué)的絕熱演化過程，模擬了量子力學(xué)里的量子隧穿效應(yīng)。通過讓量子效應(yīng)緩慢下降（絕熱演化），找到一個(gè)解。

　　谷歌的D-Wave是量子退火機(jī)，算法和一般意義理解的加減乘除的算法是有區(qū)別的，一般的算法，比如求開方或求互質(zhì)是有標(biāo)準(zhǔn)的程序。而蒙特卡羅算法的一個(gè)關(guān)鍵步驟就是要形成一些隨機(jī)數(shù)，由隨機(jī)數(shù)去模擬。谷歌的D-Wave模擬了一個(gè)量子模型，經(jīng)過數(shù)值分析模擬出量子的勢(shì)場(chǎng)結(jié)構(gòu)；其量子處理器由低溫超導(dǎo)體材料制成，利用了量子微觀客體之間的相互作用。因此，其體系是量子力學(xué)的。而量子力學(xué)在微觀層面上和宏觀層面上是有區(qū)別的，它可以穿透一些勢(shì)壘結(jié)構(gòu)——比如有一道高4米，厚0.1米的墻，要翻過去必須有矯健的身手。但量子力學(xué)層面，有一定的概率普通人可以直接穿墻。在經(jīng)典層面上，用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來模擬的話，就必須老老實(shí)實(shí)的去爬墻，而這就是谷歌宣稱快1億倍的原因所在。

　　很可能并不是標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)

　　按照技術(shù)的繼承性和延續(xù)性，如果谷歌的這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)依舊是D-Wave的繼承和延續(xù)的話，如果其量子芯片依舊采用低溫超導(dǎo)量子系統(tǒng)的話，那么這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就不是一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，更適合的稱呼是量子退火機(jī)，或針對(duì)特定問題的專用計(jì)算機(jī)。

　　因?yàn)檫@種量子計(jì)算機(jī)只是針對(duì)特定環(huán)節(jié)，做特殊算法的計(jì)算機(jī)，所以谷歌可以在特定的環(huán)節(jié)、特定的應(yīng)用中超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，但并不具有普適性。標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)是具有普適性的計(jì)算機(jī)，可以運(yùn)行各種各樣的算法，類似于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，電路等效于圖靈機(jī)模型，可以把圖靈機(jī)的各種功能用電路來實(shí)現(xiàn)。

　　計(jì)算機(jī)的電路由基本的門來構(gòu)成，而標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算機(jī)也是有這樣的一個(gè)概念，是由一系列基本的邏輯門來實(shí)現(xiàn)量子電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種算法功能。這種量子計(jì)算機(jī)被稱為具有普適性的量子計(jì)算機(jī)，而谷歌的量子計(jì)算機(jī)就沒有量子計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)的門的概念。因此，無法被稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)。

　　精度很可能無法滿足量子計(jì)算的要求

　　誠(chéng)然，低溫超導(dǎo)系統(tǒng)也是可以有邏輯門結(jié)構(gòu)的，像今年5月4日就有媒體報(bào)道IBM實(shí)現(xiàn)了5比特超導(dǎo)量子芯片。但按照以往的資料，谷歌的量子芯片采用低溫超導(dǎo)技術(shù)，其操作精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到量子計(jì)算的要求。

　　相比之下，國(guó)內(nèi)由杜江峰院士帶隊(duì)的研究組在傳統(tǒng)的糾錯(cuò)碼下達(dá)到了更高的操作精度，量子邏輯門精度達(dá)到了99.99%，其單比特門精度已經(jīng)滿足容錯(cuò)計(jì)算的需求；中國(guó)科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的氮化鎵半導(dǎo)體量子芯片也達(dá)到了90%的精度，在糾錯(cuò)碼的輔助下，同樣能滿足容錯(cuò)計(jì)算的精度。因此，在精度無法滿足標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算要求的情況下，谷歌只能去玩量子退火或者開發(fā)針對(duì)特定問題的專用計(jì)算機(jī)，而非真正的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算。

　　中科大半導(dǎo)體量子芯片

　　由于目前還沒有任何報(bào)道谷歌的量子芯片采用了新的系統(tǒng)，筆者只能認(rèn)為谷歌依舊采用低溫超導(dǎo)量子點(diǎn)系統(tǒng)，那么，其操作精度很有可能是無法滿足量子計(jì)算要求的。

　　谷歌宣傳的黑科技中不乏失敗的項(xiàng)目

　　一直以來，谷歌以其頻頻亮相于媒體的黑科技賺足了眼球，例如媒體報(bào)道谷歌推進(jìn)全球免費(fèi)無線網(wǎng)絡(luò)（Wifi）覆蓋計(jì)劃、旨在用太陽能無人機(jī)做WIFI熱點(diǎn)提供服務(wù)的Skybender項(xiàng)目等。雖然在宣傳上，這些項(xiàng)目噱頭十足，甚至有國(guó)內(nèi)媒體驚呼，“墻要倒了”、“三大運(yùn)營(yíng)商要完”，但從現(xiàn)實(shí)情況來看，谷歌的一些科技項(xiàng)目大多無疾而終。

　　全球免費(fèi)無線網(wǎng)絡(luò)（Wifi）覆蓋計(jì)劃

　　以全球免費(fèi)無線網(wǎng)絡(luò)（Wifi）覆蓋計(jì)劃來說，在2014年《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，谷歌計(jì)劃花費(fèi)超過10億美元來部署數(shù)百個(gè)近地軌道衛(wèi)星，為全球偏遠(yuǎn)地區(qū)的居民提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。不過至今項(xiàng)目進(jìn)度也異常緩慢，其項(xiàng)目負(fù)責(zé)人雷格·維勒更是在上任數(shù)月后就離職，不排除該計(jì)劃已經(jīng)處于僵尸狀態(tài)。

　　無獨(dú)有偶，Skybender項(xiàng)目也是如此。在2014年，谷歌收購了當(dāng)時(shí)還只有20名員工的泰坦航空航天公司致力于開發(fā)無人機(jī)，谷歌宣稱除使用衛(wèi)星外，還會(huì)采用無人機(jī)提供WIFI熱點(diǎn)，泰坦航空航天公司在當(dāng)年宣稱能在2015年首次付諸商業(yè)運(yùn)作。但在實(shí)踐中，谷歌和泰坦航空航天公司也遭遇了滑鐵盧——2015年5月，Solara 50在升空后不久便在新墨西哥州測(cè)試基地墜毀；泰坦航空航天公司創(chuàng)始人馬克西姆·雅尼在2015年5月，以抵押欺詐罪入獄則更是雪上加霜。

　　谷歌開發(fā)所謂“黑科技”的目的

　　誠(chéng)然，谷歌的科技項(xiàng)目并非全都如此，成功的也有不少，比如安卓操作系統(tǒng)，但確實(shí)有很多曾經(jīng)宣傳的出神入化的項(xiàng)目最后無疾而終。那為何谷歌依舊要這般高調(diào)的開發(fā)各種黑科技項(xiàng)目呢？這其中主要有以下幾個(gè)因素：

　　一是能夠給公司打扮高科技光環(huán)，以提升股價(jià)。正如阿爾法狗決戰(zhàn)李世石，在1月28日曝出了谷歌人工智能圍棋擊敗歐洲冠軍，以及谷歌拿出100萬美元作為獎(jiǎng)金挑戰(zhàn)李世石的消息后，當(dāng)日谷歌股價(jià)漲幅4.42%，換算成市值漲了200億美元；在3月9日第一局打敗李世石后，谷歌股價(jià)從710美元漲到了750美元……

　　二是一旦項(xiàng)目成功，其回報(bào)非常驚人。正如安卓操作系統(tǒng)的成功，給谷歌帶來了非常豐厚的回報(bào)——根據(jù)甲骨文公司代理律師在法庭上披露，谷歌安卓操作系統(tǒng)已經(jīng)創(chuàng)造了310億美元營(yíng)收，220億美元利潤(rùn)，利潤(rùn)率達(dá)70%。正是這種科技項(xiàng)目如此高的收益，使得谷歌愿意頻頻投資一些高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的項(xiàng)目。

　　回到量子計(jì)算機(jī)這個(gè)話題上，對(duì)于一個(gè)只能執(zhí)行特定算法，解決特定問題的量子計(jì)算機(jī)，谷歌為何如此熱衷呢？筆者猜測(cè)，很有可能是因?yàn)榱孔油嘶饳C(jī)，或針對(duì)特定問題的專用量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行的這些特定的算法和谷歌最關(guān)心的領(lǐng)域有關(guān)，比如用于搜索。另外，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)職員William Oliver認(rèn)為，這些特定算法可能非常有利于模式識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)。

　　結(jié)語

　　要構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)有兩個(gè)要求，一個(gè)是量子邏輯門精度足夠高，另一個(gè)是邏輯比特?cái)?shù)量足夠多。按照媒體報(bào)道的現(xiàn)有資料，谷歌的低溫超導(dǎo)量子系統(tǒng)在精度上很可能無法滿足量子計(jì)算的要求，而且50個(gè)量子比特的描述很難讓人確定這到底是物理比特，還是邏輯比特。而媒體報(bào)道中的AQC技術(shù)是絕熱量子計(jì)算，基于AQC技術(shù)的設(shè)備現(xiàn)在大多都在做專用量子計(jì)算。

　　因此，筆者猜測(cè)，谷歌這臺(tái)所謂開啟計(jì)算機(jī)的全新時(shí)代的量子計(jì)算機(jī)很可能并非標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，要么是一臺(tái)量子退火機(jī)，是D-Wave量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和延續(xù)，要么是一臺(tái)針對(duì)特定問題的專用計(jì)算機(jī)。

　　不過，即便谷歌建成的并非標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，從技術(shù)進(jìn)步角度看，也是一個(gè)值得稱道的飛躍。