《快公司》雜志近期刊文稱，IBM近期公布了在量子計算領(lǐng)域的一項重要突破。不過，開發(fā)真正的量子計算機仍有許多問題有待解決。
以下為文章全文：
量子計算并不簡單。然而IBM的研究人員近期宣布，在解決量子計算一個主要問題的過程中，他們已經(jīng)邁出了重要一步。這就是開發(fā)一種更好的方式，檢測及修正令人困擾的錯誤。IBM T.J.沃森實驗室負責人馬克·利特（Mark Ritter）在一篇博文中表示：“我認為，我們正在迎來量子計算研究的黃金時代。”而關(guān)于全球第一臺真正的量子計算機的開發(fā)，他的團隊“正走在前沿”。
首先，來看看什么是量子計算機。量子計算機利用了微觀粒子的特殊行為，來解決傳統(tǒng)計算機無法解決，或是耗時太長的問題。例如，實驗室中很難研究量子層面的分子間互動，這在傳統(tǒng)計算機上也很難模擬，但量子計算機可以勝任這樣的工作。
“在藥物制造、藥物設(shè)計、化工設(shè)計，以及生物制藥等領(lǐng)域，量子模擬很有潛力。”IBM試驗性量子計算集團經(jīng)理杰瑞·周（Jerry Chow）表示。此外，量子計算機能輕松破解當前使用的最復(fù)雜的密碼。基于這樣的理由，美國國家安全局（NSA）也投入巨資研究量子計算機。
量子計算機引入了大量理論物理和數(shù)學的概念。自90年代量子計算機出現(xiàn)以來，全球?qū)W術(shù)機構(gòu)、政府，以及包括谷歌(微博)、微軟和洛克希德馬丁在內(nèi)的公司都已對這一技術(shù)進行了多年的研究。加拿大一家公司D-Wave宣稱，該公司已經(jīng)制造出一臺量子計算機。不過許多研究人員，包括IBM的研究者在內(nèi)，都對這一計算機是否具備真正的“量子性”提出了質(zhì)疑。
“量子”是什么
一個經(jīng)典的二進制比特只有兩種狀態(tài)：“0”和“1”，而量子比特(即“qubit”)可同時存在兩種可能的狀態(tài)，這種新狀態(tài)被稱作“疊加態(tài)”。因此，對量子比特的操作可以讓許多計算工作并行進行。由兩個量子比特構(gòu)成的系統(tǒng)將可以用4個值來運算，而由3個量子比特構(gòu)成的系統(tǒng)可以用8個值來運算。
傳統(tǒng)計算機根據(jù)比特位的確定狀態(tài)進行運算，因此運算只能依次進行。而量子計算機則有所不同。一個量子比特序列可以同時表達由“0”和“1”構(gòu)成的所有可能組合，這意味著計算機能同時嘗試所有可能的解，以遠超傳統(tǒng)計算機的速度進行復(fù)雜的計算。
不過，量子計算的一個有趣特性是，對量子比特的測量會導(dǎo)致其“坍縮”至一個確定狀態(tài)，即“0”或“1”，從而失去量子性。量子計算正是通過對整個量子比特序列的測量而得出結(jié)果。
許多量子算法都是非確定性的。這些算法可以并行地求出多個解，但只有一個解可以被測量，因此能以某一已知概率得出正確結(jié)果。進行多次反復(fù)計算將提高求出正確解的概率，但這也削弱了量子計算的速度優(yōu)勢。
IBM的成績
大部分研究人員認為，開發(fā)實用的量子計算機仍面臨著許多困難。在《自然》雜志的一篇論文中，杰瑞·周的團隊介紹了如何解決其中一項挑戰(zhàn)。他們設(shè)計了一種方式，以檢測2x2超導(dǎo)量子比特點陣的錯誤。
對任何計算機而言，如果已保存的數(shù)據(jù)存在錯誤，那么計算結(jié)果必然也是錯誤的。在使用晶體管制造的傳統(tǒng)計算機中，出錯的可能性很低。當錯誤發(fā)生時，計算機也可以通過多種糾錯機制來自動修正。
量子計算機的情況有很大不同。杰瑞·周表示：“量子比特非常容易出錯。它們可能會受熱量影響，可能會受環(huán)境噪音影響，也可能會受偏離的電磁耦合的影響。”
傳統(tǒng)計算機保存的信息只可能出現(xiàn)一種錯誤，即比特位反轉(zhuǎn)，誤將“0”當作“1”，或是誤將“1”當作“0”。量子比特除了這樣的錯誤之外，還會發(fā)生相位反轉(zhuǎn)。一個量子比特的疊加態(tài)，即同時表達“0”和“1”的狀態(tài)，被標記為“0+1”。相位錯誤會破壞“0”和“1”之間的相位關(guān)系。
杰瑞·周表示：“0+1和0-1表達了兩種全然不同的信息狀態(tài)。我們可以將其視為一個球體內(nèi)的箭頭指向。你可以將指向南極視為‘0’，將指向北極視為‘1’，將指向赤道的一側(cè)視為‘0+1’，而將指向赤道的相反一側(cè)視為‘0-1’。而更復(fù)雜的一點在于，量子錯誤的修正機制需要避免直接測量量子數(shù)據(jù)，否則會導(dǎo)致量子態(tài)的坍縮。”
IBM提出的新的錯誤檢測機制基于一種被稱作“代碼表面化”的技術(shù)。這一技術(shù)將量子信息分散在多個量子比特中。兩個表征量子比特被配對至兩個代碼量子比特，或者說數(shù)據(jù)量子比特。一個表征量子比特用于反映，代碼量子比特是否出現(xiàn)了比特位反轉(zhuǎn)的錯誤，而另一個表征量子比特則用于反映是否發(fā)生了相位反轉(zhuǎn)錯誤。通過這種方式，代碼量子比特不會被直接測量。
不過，對于實用的量子計算機的發(fā)展，錯誤修正只是需要解決的多個問題之一。
更多的量子，更多的問題
一名教授已在社交問答網(wǎng)站Quora上列舉了量子計算所面臨的各種困難。其中之一在于相干性。衡量量子比特質(zhì)量的一個常見指標是相干時間，即量子比特的量子性能維持多久。一臺性能健壯、功能完整的量子計算機需要有較長的相干時間。目前距離實現(xiàn)這一目標還很遙遠。2014年，新南威爾士大學的研究人員創(chuàng)造了一項世界紀錄，他們創(chuàng)造的兩種全新類型量子比特能在35秒長的時間里保持量子態(tài)。
“為了確保量子糾錯技術(shù)能夠工作，你需要單個量子比特達到一定的質(zhì)量。”杰瑞·周表示，“為了讓這些單個量子比特越來越好，我們在材料科學、設(shè)備布局，以及實際處理器開發(fā)方面還有大量工作要完成。”
與傳統(tǒng)計算機不同，量子計算機并沒有標準的材料或架構(gòu)。量子比特的制造方式多種多樣，其中包括離子阱。杰瑞·周團隊采用的方法則是將硅材料中的電子打入超導(dǎo)電路。
為了實現(xiàn)較長的相干時間，量子比特需要與外部環(huán)境隔離開，通常情況下還需要確保溫度低于零度。然而，這樣的隔離導(dǎo)致計算機難以得到有效的控制，因為控制意味著量子計算機將與外界環(huán)境發(fā)生接觸。同時實現(xiàn)控制和相干性將帶來高昂的成本。
為了制造出相干時間長的量子比特，澳大利亞研究人員利用價值10萬美元的高頻震蕩磁場發(fā)生器操縱在硅晶體上植入的單個磷原子，并使用簡單的電脈沖去改變原子中電子的頻率。研究者之一安德里·莫雷洛（Andrea Morello）表示：“因此，我們可以選擇去操作哪一量子比特。這就類似于我們通過調(diào)節(jié)旋鈕去選擇接收哪一廣播電臺。這里的旋鈕是施加在原子上方微型電極的電壓。”
研究者隨后還對設(shè)計進行了改進，從而控制多個量子比特。上月，該實驗室報告了硅晶體制造的最新進展，這將極大地減少硬件開發(fā)的時間和成本。
如何擴大規(guī)模
然而到目前為止，在相干時間的限制下，研究者仍只能利用少數(shù)幾個量子比特進行有限的量子邏輯操作。連接的量子比特越多，量子計算機行為類似傳統(tǒng)計算機的可能性就越大。然而，如果不能集成大量的量子比特，一些復(fù)雜問題就無法進行求解。
杰瑞·周表示：“為了開發(fā)類似當前處理器的量子芯片，我們還需要大量的工程開發(fā)，以及對不同材料及這些材料在量子世界中的行為有更多的理解。”
另一個問題在于，量子算法相對于傳統(tǒng)計算機求解速度更快的問題類型可能很有限。由于許多量子算法都是非確定性的，因此你需要一定的方式去驗證，被測量的結(jié)果是否正確。例如，在計算一個大數(shù)的質(zhì)因數(shù)時，檢查結(jié)果很容易。但許多問題的解并不是很容易驗證。
即使在問題的解得到驗證之后，你可能還需要進行多次同樣的計算，從而獲得正確的解。這也削弱了量子計算的速度優(yōu)勢。維也納的一些研究人員正在解決這一問題。他們在計算過程中插入了一些簡短的中間計算，而這些計算的答案是已知的。這將幫助用戶衡量量子計算的可靠性。其他量子算法則利用了干涉現(xiàn)象，從而提升單次運算獲得正確結(jié)果的可能性。
IBM的杰瑞·周對于這些障礙的解決感到樂觀，尤其是在制造“邏輯量子比特”方面。邏輯量子比特基于物理量子比特，但不會丟失信息，且錯誤已得到修正。“許多這類問題將在未來幾年內(nèi)得到解決，這將幫助我們實現(xiàn)邏輯量子比特編碼。隨后，在這一邏輯層的基礎(chǔ)上，我們可以向真正的量子算法邁出一步。”
在此之后，所有計算機用戶，無論是科學家、加密專家、數(shù)據(jù)挖掘?qū)＜遥€是互聯(lián)網(wǎng)搜索用戶，與量子計算的距離都將更近一步。