據(jù)英國《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站8月31日報道，在美國加尼福利尼亞州某地，谷歌正在建造一臺裝置，這個裝置將很有可能在明年年底建成，并開啟計算機的全新時代。《參考消息》9月6日援引該報道稱，“這是一臺量子計算機，是一臺史上最大的量子計算機，它的建造一勞永逸地證明了這一開發(fā)新奇物理學(xué)疆域的機器完全可以超越全球最好的超級計算機?！?/p>

　　那么，在中美爭建量子計算機的競賽中，谷歌領(lǐng)先了嗎？

　　為什么量子計算機能超越傳統(tǒng)計算機

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

　　基于量子疊加性原理，一個量子位可以同時處于0狀態(tài)和1狀態(tài)，N個量子位可同時存儲2的N次方個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨N呈指數(shù)增長。同時，量子計算機操作一次等效于電子計算機要進行2的N次方次操作的效果……等于是一次演化相當于完成了2的N次方個數(shù)據(jù)的并行處理，這就是量子計算機相對于經(jīng)典計算機的優(yōu)勢。

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

　　谷歌想用50個量子比特實現(xiàn)量子計算機

　　谷歌想要建造一個超越傳統(tǒng)意義上的計算機早已不是什么新聞。

　　2013年，谷歌就對D-Wave量子計算機進行了測試，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算機D-Wave2X，谷歌量子人工智能實驗室還曾宣布，其量子計算機D-Wave2X的運行速度比傳統(tǒng)計算機芯片上運行的模擬裝置快1億倍。

　　近期，根據(jù)外媒的報道，“多名了解谷歌研究進展的科學(xué)家表示，在某些計算方面，包含50個量子位的量子芯片已經(jīng)比傳統(tǒng)超級計算機更強大，而在兩到三年內(nèi)能夠研制出這樣的計算機已經(jīng)不是什么難事?！薄秴⒖枷ⅰ芬卜Q，“谷歌想用50個量子比特來完成這個任務(wù)，50個量子比特是一個雄心勃勃的目標，但并非遙不可及”。

　　此前，另一篇關(guān)于谷歌量子計算機的報道中稱，“全球首款商用的量子計算設(shè)備正是基于AQC技術(shù)……在研究中，谷歌的團隊采用了9個固態(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余個物理比特，但很快就喪失了。因此，不得不通過糾錯碼過程對10余個物理比特做冗余，最后生成了一個邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯特性。

　　量子計算要產(chǎn)生相對于傳統(tǒng)計算足夠多的優(yōu)勢，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算機則需要幾百上千物理比特。

　　雖然外媒聲稱谷歌計劃完成50個量子比特的目標，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，確實是夠了，但如果是物理比特，50個物理比特距離超越傳統(tǒng)計算機的量子計算機依舊有相當大的差距。有專家認為，國外媒體之所以會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)界認為能達到的狀態(tài)，但因為話沒說全，不夠明確，即便有人想嚴格追究也拿它沒轍。

　　谷歌曾經(jīng)公布的D-Wave是量子退火機

　　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），找到一個解。

　　谷歌的D-Wave是量子退火機，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)是有標準的程序。而蒙特卡羅算法的一個關(guān)鍵步驟就是要形成一些隨機數(shù)，由隨機數(shù)去模擬。谷歌的D-Wave模擬了一個量子模型，經(jīng)過數(shù)值分析模擬出量子的勢場結(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)計算機來模擬的話，就必須老老實實的去爬墻，而這就是谷歌宣稱快1億倍的原因所在。

　　很可能并不是標準量子計算機

　　按照技術(shù)的繼承性和延續(xù)性，如果谷歌的這臺量子計算機依舊是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，那么這臺量子計算機就不是一臺標準量子計算機，更適合的稱呼是量子退火機，或針對特定問題的專用計算機。

　　因為這種量子計算機只是針對特定環(huán)節(jié)，做特殊算法的計算機，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)計算機，但并不具有普適性。標準量子計算機是具有普適性的計算機，可以運行各種各樣的算法，類似于經(jīng)典計算機，電路等效于圖靈機模型，可以把圖靈機的各種功能用電路來實現(xiàn)。

　　計算機的電路由基本的門來構(gòu)成，而標準的量子計算機也是有這樣的一個概念，是由一系列基本的邏輯門來實現(xiàn)量子電路，進而實現(xiàn)各種算法功能。這種量子計算機被稱為具有普適性的量子計算機，而谷歌的量子計算機就沒有量子計算機對應(yīng)的門的概念。因此，無法被稱為標準量子計算機。

　　精度很可能無法滿足量子計算的要求

　　誠然，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日就有媒體報道IBM實現(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)，其操作精度遠遠達不到量子計算的要求。

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

　　中科大半導(dǎo)體量子芯片

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

　　谷歌宣傳的黑科技中不乏失敗的項目

　　一直以來，谷歌以其頻頻亮相于媒體的黑科技賺足了眼球，例如媒體報道谷歌推進全球免費無線網(wǎng)絡(luò)（Wifi）覆蓋計劃、旨在用太陽能無人機做WIFI熱點提供服務(wù)的Skybender項目等。雖然在宣傳上，這些項目噱頭十足，甚至有國內(nèi)媒體驚呼，“墻要倒了”、“三大運營商要完”，但從現(xiàn)實情況來看，谷歌的一些科技項目大多無疾而終。

　　全球免費無線網(wǎng)絡(luò)（Wifi）覆蓋計劃

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

　　無獨有偶，Skybender項目也是如此。在2014年，谷歌收購了當時還只有20名員工的泰坦航空航天公司致力于開發(fā)無人機，谷歌宣稱除使用衛(wèi)星外，還會采用無人機提供WIFI熱點，泰坦航空航天公司在當年宣稱能在2015年首次付諸商業(yè)運作。但在實踐中，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

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

　　一是能夠給公司打扮高科技光環(huán)，以提升股價。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100萬美元作為獎金挑戰(zhàn)李世石的消息后，當日谷歌股價漲幅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，谷歌股價從710美元漲到了750美元……

　　二是一旦項目成功，其回報非常驚人。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——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310億美元營收，220億美元利潤，利潤率達70%。正是這種科技項目如此高的收益，使得谷歌愿意頻頻投資一些高風(fēng)險、高回報的項目。

　　回到量子計算機這個話題上，對于一個只能執(zhí)行特定算法，解決特定問題的量子計算機，谷歌為何如此熱衷呢？筆者猜測，很有可能是因為量子退火機，或針對特定問題的專用量子計算機運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)院林肯實驗室的高級職員William Oliver認為，這些特定算法可能非常有利于模式識別和機器學(xué)習(xí)。

　　結(jié)語

　　要構(gòu)建量子計算機有兩個要求，一個是量子邏輯門精度足夠高，另一個是邏輯比特數(shù)量足夠多。按照媒體報道的現(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算的要求，而且50個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。而媒體報道中的AQC技術(shù)是絕熱量子計算，基于AQC技術(shù)的設(shè)備現(xiàn)在大多都在做專用量子計算。

　　因此，筆者猜測，谷歌這臺所謂開啟計算機的全新時代的量子計算機很可能并非標準量子計算機，要么是一臺量子退火機，是D-Wave量子計算機技術(shù)的發(fā)展和延續(xù)，要么是一臺針對特定問題的專用計算機。

　　不過，即便谷歌建成的并非標準量子計算機，從技術(shù)進步角度看，也是一個值得稱道的飛躍。