作為一個熱門概念,我們經(jīng)常聽到量子計算又有新突破的消息。但很少人清楚,今天的量子計算技術(shù)究竟走到了哪一步?到底有多少種實現(xiàn)量子計算的方式?本文將對這兩個問題進(jìn)行全面梳理,介紹如今各技術(shù)流派的發(fā)展,以及各科技巨頭的研究情況。
堅持囚禁離子技術(shù)的量子計算公司
美國量子計算機(jī)初創(chuàng)企業(yè) ionQ 有三位核心成員:馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家 Chris Monroe,杜克大學(xué)電氣工程師 Jungsang Kim, 以及原本供職于美國情報部門 IARPA(“高級研究計劃署”)的 David Moehring。其中,前兩位是公司創(chuàng)始人,是研究囚禁離子(trapped ions)的專家。而 David Moehring 是他們雇來的 CEO。
今年九月,這三位還在馬里蘭大學(xué)討論量子計算的前景,包括為什么利用囚禁離子能制造出理想的量子計算機(jī)––它有完美的再現(xiàn)性(reproductivity),長生命周期,不錯的激光可控性。
這三人有一個共同觀點:量子計算的黃金時代即將到來。它將利用量子力學(xué),為電腦運(yùn)算帶來指數(shù)級得巨幅加速。持同樣觀點的不僅僅有他們。科技巨頭英特爾、微軟、IBM,谷歌都在向量子計算投入千萬美元的研發(fā)資金。但是,他們在對不同的量子計算技術(shù)下賭注–––沒有人知道,采用哪種量子比特(qubit)能造出有實用價值的量子計算機(jī)。
圖表:量子計算五大技術(shù)流派
被看做是量子計算領(lǐng)域領(lǐng)頭羊的谷歌,已經(jīng)做出了選擇:極小的超導(dǎo)電路。谷歌已制造出 9 量子比特的機(jī)器,并計劃明年增加至 49 量子比特。這是一個極為關(guān)鍵的門檻。學(xué)者預(yù)計,在 50 量子比特左右,量子計算機(jī)就能達(dá)到“量子霸權(quán)”(quantum supremacy)。這是加州理工學(xué)院物理學(xué)家 John Preskill 發(fā)明的名詞,用來指示“量子計算機(jī)在一些領(lǐng)域有傳統(tǒng)計算機(jī)所不具有的能力”,比如在化學(xué)和材料學(xué)里模擬分子結(jié)構(gòu),還有處理密碼學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)的一些問題。
IonQ 團(tuán)隊并沒有因谷歌的成功而氣餒。Jungsang Kim 說:“我不認(rèn)為谷歌能在下個月宣布成功研制量子計算機(jī)。退一步講,即便他們成功了,游戲也不會結(jié)束?!?IonQ 堅持使用囚禁離子,它是世界上第一個量子邏輯門背后的技術(shù)。那是一個 1995 年完成的項目,Chris Monroe 是參與者之一。使用精確調(diào)整的激光脈沖,Monroe 能把離子打入持續(xù)數(shù)秒的量子態(tài), 這遠(yuǎn)超谷歌的量子比特。Jungsang Kim 開發(fā)了一個把不同離子群連接到一起的模塊化方案。如該方法奏效,ionQ 就能快速擴(kuò)大量子比特的規(guī)模。但直到現(xiàn)在,他們只成功地把五個量子比特加入到可編程設(shè)備中。
Chris Monroe 承認(rèn),現(xiàn)在很多人把囚禁離子看作是“害群之馬”,但他堅信,將來人們會蜂擁加入到囚禁離子陣營中。
是否會如此還很難說。但有一件事是肯定的:制造量子計算機(jī)已經(jīng)從科學(xué)家們的一個遙遠(yuǎn)的夢想,變成了科技巨頭們想要立刻實現(xiàn)的目標(biāo)。ionQ 就是這浪潮中想要分一杯羹的參與者。雖然超導(dǎo)量子比特技術(shù)現(xiàn)在是行業(yè)領(lǐng)頭羊,專家們認(rèn)為,現(xiàn)在宣布超導(dǎo)量子比特的勝利,還為時過早。量子信息學(xué)非正式院長 Preskill 說:“不同的量子技術(shù)在同時發(fā)展,這是一件好事。因為很可能會有驚喜發(fā)現(xiàn),然后帶來量子計算領(lǐng)域的革新。”
量子計算機(jī)憑什么超越傳統(tǒng)計算機(jī)?
量子比特相比傳統(tǒng)計算機(jī)比特更強(qiáng)大,是由于兩個獨特的量子現(xiàn)象:疊加(superposition)和糾纏(entanglement)。量子疊加使量子比特能夠同時具有 0 和 1 的數(shù)值,可進(jìn)行“同步計算”(simultaneous computation)。量子糾纏使分處兩地的兩個量子比特能共享量子態(tài),創(chuàng)造出超疊加效應(yīng):每增加一個量子比特,運(yùn)算性能就翻一倍。比方說,使用五個糾纏量子的算法,能同時進(jìn)行 25 或者 32 個運(yùn)算,而傳統(tǒng)計算機(jī)必須一個接一個地運(yùn)算。理論上, 300 個糾纏量子能進(jìn)行的并行運(yùn)算數(shù)量,比宇宙中的原子還要多。
這種超大規(guī)模的并行計算,對于處理日常任務(wù)其實沒什么用。沒有人認(rèn)為量子計算機(jī)會顛覆文字處理和 email。但對于需要同時探索無數(shù)條路徑的算法,還有對海量數(shù)據(jù)庫的搜索,量子計算能極大地提高速度。它能被用來尋找新的化學(xué)催化劑,對加密數(shù)據(jù)的海量數(shù)字作因子分解(factoring),或許還能模擬黑洞和其他物理現(xiàn)象。
但有一個主要的陷阱––量子疊加和糾纏狀態(tài)極度得脆弱,能被環(huán)境中的細(xì)微擾動所打破,這包括了任何測量它們的嘗試。量子計算機(jī)需要被保護(hù)起來,與耶魯大學(xué)物理學(xué)家 Robert Schoelkopf 描述的“汪洋般的混亂”(a sea of classical chaos)隔離開來。
雖然量子計算的理論在 1980 年代就開始出現(xiàn),直到 1995 年才有了第一次實驗。貝爾實驗室的數(shù)學(xué)家 Peter Shor,向人們展示量子計算機(jī)可以對大量數(shù)字快速因子分解––若能實現(xiàn),這會使現(xiàn)代密碼學(xué)的大部分發(fā)明過時。Peter Shor 和其他人還展示了,若使用臨近量子比特修正錯誤,讓脆弱的量子比特永遠(yuǎn)保持穩(wěn)定狀態(tài)在理論上是可能的。
頓時,物理學(xué)家和他們的資助者相信,量子計算機(jī)未必會出現(xiàn)一大堆運(yùn)算錯誤,他們有了充足的理由去嘗試造一臺量子計算機(jī)。那時,諾貝爾物理學(xué)獎獲獎?wù)撸?NIST(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)工作的 David Wineland 已經(jīng)開始了對使用激光冷卻離子、并控制他們內(nèi)在量子態(tài)的研究。ionQ 的創(chuàng)始人 Chris Monroe 那時就在 NIST 工作,他與 David Wineland 一起造出了第一個量子力學(xué)邏輯門,使用激光控制鈹離子的電子態(tài)。有著和 Wineland 研究離子的經(jīng)驗,Chris Monroe 表示,成為早期量子計算實驗領(lǐng)頭羊的機(jī)會,落在了他們手中。
科技巨頭們的量子計算研究進(jìn)展
超導(dǎo)技術(shù)
在全世界,成百上千萬的政府研究資金正流入量子物理學(xué)中。隨著研究深入,其他形式的量子比特浮現(xiàn)出來。2010 年開始,囚禁離子技術(shù)遭遇了強(qiáng)大的挑戰(zhàn)者: 超導(dǎo)體制成的電流回路。其中,超導(dǎo)體是由接近絕對零度時、攜帶無電阻振蕩電流的金屬物質(zhì)組成。量子比特的 0 和 1 由不同的電流強(qiáng)度表示。該技術(shù)有許多吸引人的優(yōu)點:1. 電流回路可以被肉眼觀察到。 2. 使用簡單的微波儀器就能控制,不需要對操作要求苛刻的激光。3. 使用傳統(tǒng)計算機(jī)芯片制造技術(shù)就能生產(chǎn)。 4. 運(yùn)轉(zhuǎn)速度非???。
但是,超導(dǎo)技術(shù)有一個致命缺陷:環(huán)境噪音。即使是控制設(shè)備的噪音,也能在遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足一微秒的瞬間擾亂量子疊加。如今工程技術(shù)的優(yōu)化,已使電路的穩(wěn)定性提高了近百萬倍,所以量子疊加狀態(tài)可以維持?jǐn)?shù)十微秒,但這仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如離子。
D-Wave和量子退火
2007 年,加拿大初創(chuàng)公司 D-Wave Systems 宣布,他們使用 16 個超導(dǎo)量子比特成功制成量子計算機(jī)。這震驚了世界。但是 D-Wave 的機(jī)器并沒有使所有的量子比特發(fā)生糾纏,并且不能一個量子比特接著一個量子比特得編程(be programmed qubit by qubit),而是另辟蹊徑,使用了一項名為“量子退火”(quantum annealing)的技術(shù)。該技術(shù)下,每個量子比特只和臨近的量子比特糾纏并交互,這并沒有建立起一組并行計算,而是一個整體上的、單一的量子狀態(tài)。D-Wave 開發(fā)者希望把復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題映射到該狀態(tài),然后使用量子效應(yīng)尋找最小值。對于優(yōu)化問題(比如提高空中交通效率的)來說,這是一項很有潛力的技術(shù)。
但批評者們立刻指出:D-Wave 并沒有攻克許多公認(rèn)的量子計算難題,比如錯誤修正(error correction)。包括谷歌和洛克希德馬丁在內(nèi)的幾家公司,購買并測試了 D-Wave 的設(shè)備,他們初步的共識是,D-Wave 做到了一些能稱之為量子計算的東西,而且,在處理一些特定任務(wù)時,他們的設(shè)備確實比傳統(tǒng)計算機(jī)要快。不論這到底算不算量子計算,D-Wave 把私營企業(yè)們震醒了。Chris Monroe 說:“D-Wave 確實打開了人們的眼界。他們讓大家意識到,量子計算機(jī)是有市場的,并且有強(qiáng)烈的需求。” 幾年內(nèi),各個公司紛紛投入到與他們專業(yè)知識相關(guān)的各個量子計算領(lǐng)域中去。
英特爾和硅量子點
對量子計算最大的賭注恐怕來自英特爾:2015 年,它宣布將向荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子技術(shù)研究項目 QuTech 投資 5000 萬美元。英特爾專注于硅量子點技術(shù)(silicon quantum dots),它經(jīng)常被稱作“人造原子”。一個量子點量子比特是一塊極小的材料,像原子一樣,它身上電子的量子態(tài)可以用 0 或 1 來表示。不同于離子或原子,量子點不需要激光來困住它。
早期的電子點用幾近完美的砷化鎵晶體制作,但研究人員們更傾向于硅,希望能利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大產(chǎn)能。QuTech 技術(shù)負(fù)責(zé)人 Leo Kouwenhoven 說:“我認(rèn)為英特爾屬意于硅,畢竟那是他們最擅長的材料?!?但是基于硅的量子比特研究,大大落后于囚禁離子和超導(dǎo)量子技術(shù)。去年,澳大利亞新南威爾士大學(xué)的一只研究團(tuán)隊才完成兩個量子比特的邏輯門。
微軟和拓?fù)淞孔?/p>
而微軟的選擇甚至更遙遠(yuǎn):基于非阿貝爾任意子(nonabelian anyons)的拓?fù)淞孔颖忍兀?topological qubits)。這些根本就不是物體,他們是沿著不同物質(zhì)邊緣游動的準(zhǔn)粒子(quasiparticles)。他們的量子態(tài)由不同交叉路線(braiding Paths)來表現(xiàn)。因為交叉路線的形狀導(dǎo)致了量子疊加,他們會受到拓?fù)浔Wo(hù)(topologically protected)而不至于崩潰,這類似于打結(jié)的鞋帶不會散開。
這意味著,理論上拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)不需要在錯誤修正上花費那么多量子比特。早在 2005 年,微軟帶領(lǐng)的一支研究團(tuán)隊,就提出了一種在半導(dǎo)體-超導(dǎo)體混合結(jié)構(gòu)中建造拓?fù)浔Wo(hù)量子比特的方法。微軟已經(jīng)投資了數(shù)個團(tuán)隊進(jìn)行嘗試。他們近期的論文,還有貝爾實驗室的一項獨立研究都展示了,關(guān)鍵的任意子以電路中電流的模式進(jìn)行移動的”征兆“。這些科學(xué)家已經(jīng)很接近展示真正的量子比特了。Preskill 說:“我認(rèn)為在一兩年內(nèi),我們就可以看到結(jié)果––拓?fù)淞孔颖忍卮_實存在?!?/p>
谷歌的超導(dǎo)量子研究
谷歌這邊,他們雇傭了加州大學(xué)圣芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的超導(dǎo)量子比特專家 John Martinis 。他研究過 D-Wave 的運(yùn)行方式和缺陷。在 2014 年,谷歌把整個加州大學(xué)圣芭芭拉分校研究團(tuán)隊的全部十幾個人,都給招募了。這之后,John Martinis 團(tuán)隊宣布,他們已經(jīng)建成了 9 量子比特的機(jī)器,是目前世界上可編程的量子計算機(jī)中最大的之一,而且他們正在嘗試擴(kuò)大規(guī)模。為了避免大堆纏繞的電線,他們正在 2D 平面結(jié)構(gòu)上重建該系統(tǒng)。系統(tǒng)會鋪設(shè)在一塊晶圓上,所有控制電路都蝕刻在上面。
John Martinis 團(tuán)隊如今已有 30 名科學(xué)家和工程師。七月,他們用了三個超導(dǎo)量子比特來模擬氫分子的基態(tài)(ground state)能量,這展示了在模擬簡單的量子系統(tǒng)上,量子計算機(jī)可以做到和傳統(tǒng)計算機(jī)一樣好。Martinis 表示,這個結(jié)果預(yù)示了擁有”量子霸權(quán)“的計算設(shè)備的力量。他還認(rèn)為,谷歌一年造出 49 量子比特計算機(jī)的計劃很趕時間,但或許有可能實現(xiàn)。
ionQ和囚禁離子
與此同時,ionQ 的 Chris Monroe 正在試圖克服囚禁離子帶來的各項挑戰(zhàn)。作為量子比特,它們可以在幾秒鐘內(nèi)維持穩(wěn)態(tài),這還多虧了真空裝置和在環(huán)境噪音影響下仍能將其穩(wěn)定的電極。但是,這些隔離措施意味著,量子比特之間的交互變得更難。Monroe 最近把 22 個鐿離子糾纏成一條線形鏈(linear chain),但至今,他還未能控制或查詢所有的離子對,而這是量子計算機(jī)必須做到的。
控制組合體的難度,會隨離子數(shù)目的增加指數(shù)級得升高。所以,加入更多離子是做不到的。 Monroe 認(rèn)為,解決辦法在于使用模組化的設(shè)計,用光導(dǎo)纖維把囚禁離子群連接起來,每個囚禁離子群約有 20 個離子。若用該方案,每個模組中的某特定量子比特都會成為該離子群的中心,從群中其他量子比特那接受信息,并與其他模組分享。這樣,大多數(shù)離子會免于外部侵?jǐn)_。
最近,Monroe 逛了逛他在馬里蘭大學(xué)的六個實驗室。在三個較老的實驗室里,電線和真空管路一團(tuán)團(tuán)的垂下來。在一張?zhí)卮笞雷由?,透鏡和鏡子亂成一堆,使用它們是為了改變激光光束的形狀,并把光束反射入真空室設(shè)備的小孔里,那里面就是實驗離子。頭頂上的 HVAC設(shè)備們(加熱設(shè)備,通風(fēng)設(shè)備,空調(diào))嗡嗡作響。
另外三個新實驗室就十分干凈整潔,甚至空空蕩蕩顯得有些古怪。Rube Goldberg 式的光學(xué)實驗桌被整合激光裝置取而代之。Monroe 說:”我們現(xiàn)在用的激光設(shè)備只有一個激光球,并且已經(jīng)開啟。”他焦急得想把 ionQ 的實驗室趕快運(yùn)作起來,讓高薪聘來的研究人員們正式成為 ionQ 的雇員,以盡快投入到工作中,把他們在馬里蘭大學(xué)做的研究完善起來。多虧了和馬里蘭大學(xué)不同尋常的協(xié)議, ionQ 得到獨家、免費的專利授權(quán)。下一年,他會把他的第一個sabbatical 假期用來建立 ionQ。他表示,私營企業(yè)對他們量子計算研究的資助,是他事業(yè)中最大的一筆錢。
量子計算展望
即便有巨額投資,量子計算在很長時間內(nèi),只會是各公司實驗室里的商業(yè)秘密。有些大的研究機(jī)構(gòu),甚至是那些科技巨頭的下屬部門,倒愿意把研究成果在論文和會議上公布出來。他們認(rèn)為發(fā)表最新進(jìn)展是互利的。其中一個原因是,促使?jié)撛诳蛻羲伎剂孔佑嬎銠C(jī)的應(yīng)用前景。Monroe 解釋說:“我們都需要一個市場。”與其遮遮掩掩,不如一起把量子計算這塊蛋糕做大。
還有一個很重要的原因:沒有人對量子計算足夠了解,但每個團(tuán)隊都選了一個量子比特類型做研究(沒有精力研究多個)。誰知道他們選擇的類型有沒有前途呢?每種方案都需要不斷地優(yōu)化,擴(kuò)大規(guī)模,最終才能應(yīng)用于制造量子計算機(jī)。無論是制造基于超導(dǎo)體,還是硅的量子比特,都需要極高的連貫性和一致性。對它們冷卻的冷凍裝置也需要改善。囚禁離子需要更快的邏輯門,更緊湊的激光和光纖。拓?fù)淞孔颖忍厝孕枰话l(fā)明出來。簡而言之,要面對的挑戰(zhàn)太多,團(tuán)隊之間需要一定程度的相互合作、信息共享,才能加快進(jìn)度。
未來的量子計算機(jī)很可能是一個混合體,由超快的超導(dǎo)體量子比特對算法進(jìn)行運(yùn)算,然后把結(jié)果扔給更穩(wěn)定的離子存儲。與此同時,光子在機(jī)器的不同部件之間傳遞信息,或者在量子網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點之間。微軟研究員 Krysta Svore 說:“能夠想象,將來不同類型的量子比特會同時存在,并在不同任務(wù)中扮演不同的角色?!?/p>
量子計算機(jī)是那么新奇古怪,甚至世界的頂級量子物理學(xué)家和計算機(jī)工程師都不清楚,商業(yè)化運(yùn)營的量子計算機(jī)會是什么樣兒。Svore 認(rèn)為,研究量子計算機(jī)應(yīng)當(dāng)在行動中摸索。物理學(xué)家們只需要試著去造,現(xiàn)有的科技所能達(dá)到的最高深的計算機(jī)系統(tǒng),然后面對這過程中出現(xiàn)的難題。 這是一個“制造,學(xué)習(xí),重復(fù)”的過程。他說:“我們特別喜歡設(shè)想,造出了第一臺量子計算機(jī)之后,就用它設(shè)計第二臺量子計算機(jī)。”