五年內，世界第一臺實(shí)用型量子計算機將誕生

　　相信很多人已經(jīng)不會(huì )對這樣的新聞感到陌生：“量子計算機即將發(fā)現大量新藥，以治愈頑疾!”“量子計算機將深入分析全球范圍內的數據，從而找到克服貧困與不平等等問(wèn)題的方案!”

　　這些結論到底靠不靠譜?很難講。我們實(shí)際上無(wú)法確定真正的量子計算機會(huì )以怎樣的面貌出現——不過(guò)這也并不影響我們的興奮之情。

　　我們甚至可以說(shuō)，量子計算機本身也處于量子態(tài)當中——其正在徹底改變世界，但正是也仍然是個(gè)遙遠的夢(mèng)想。

　　不過(guò)現在，美國國家科學(xué)基金會(huì )計劃將量子計算機從理想轉化為現實(shí)——即在研究實(shí)驗室中加以實(shí)現。而且，該基金會(huì )愿意為此投入大量資源。

　　今年8月，科學(xué)基金會(huì )公布了量子協(xié)調計算的軟件定制架構(Software-Tailored Architecture for Quantum co-design，簡(jiǎn)稱(chēng)STAQ)項目。物理學(xué)家、工程師、計算機科學(xué)家以及其他眾多研究人員將齊聚一堂，共同在五年時(shí)間內投入1500萬(wàn)美元開(kāi)展這項研究工作。

　　其目標在于從零開(kāi)始打造出世界上第一臺實(shí)用型量子計算機——且要求不只是概念驗證方案，而是真正用于經(jīng)典計算機的新一代計算機設計成果。

　　這里先介紹一點(diǎn)背景：經(jīng)典計算機與量子計算機之間存在著(zhù)一些顯著(zhù)差異。相較于經(jīng)典計算機中使用的要么為0、要么為1的二進(jìn)制比特位狀態(tài)，量子位(qubit)可以同時(shí)既為0、又為1。利用這些量子位進(jìn)行信息傳輸或者進(jìn)行計算的量子電路，被稱(chēng)為量子邏輯門(mén); 正如經(jīng)典電路控制型計算機電路中的電流一樣，這些邏輯門(mén)將通過(guò)光子或者所捕獲的離子控制各個(gè)量子位。

　　為了開(kāi)發(fā)真正具備實(shí)用性的量子計算機，科學(xué)家們需要弄清楚如何改進(jìn)我們用于構建物理設備的硬件，以及運行于其上的軟件。更具體地講，這意味著(zhù)需要弄清楚如何能夠容納大量易于出錯的量子位的系統，并確定如何在面對大量噪聲干擾時(shí)對查詢(xún)指令做出正確的響應。其中一項重要手段，可能在于構建自動(dòng)化工具，以?xún)?yōu)化某些算法與特定硬件之間的映射方式，從而一舉解決這兩大難題。

　　為了更好地理解這個(gè)項目可能帶來(lái)的成果，我們采訪(fǎng)了負責STAQ項目的杜克大學(xué)工程師Kenneth Brown。另外，我們還提供相關(guān)超鏈接以補充Brown給出的答案。

　　記者：我們聽(tīng)到不少關(guān)于量子計算的表述，但大多非常抽象且偏于理論——很多研究都有望將量子計算機變成現實(shí)，但卻沒(méi)有提到如何具體實(shí)現這一目標。您的團隊能夠做些什么來(lái)克服這道其他人無(wú)法逾越的鴻溝?

　　Kenneth Brown(以下簡(jiǎn)稱(chēng)KB)： 我認為最重要的一點(diǎn)，是強調量子計算機可以用各種材料制造而成。在這方面，我通常會(huì )將其與經(jīng)典計算機進(jìn)行類(lèi)比。第一代經(jīng)典計算機只有齒輪，因為這幾乎已經(jīng)代表著(zhù)當時(shí)我們擁有的最先進(jìn)的技術(shù);此后經(jīng)典計算機經(jīng)歷了真空管階段，性能有了極大的飛躍;接下來(lái)，第一個(gè)硅晶體管開(kāi)始出現。但大家一定要記住，最初的晶體管根本無(wú)法與真空管相匹敵。有時(shí)候，我認為當時(shí)的人們甚至沒(méi)有意識到晶體管是如此重要的一項發(fā)現。

　　量子計算同樣需要經(jīng)歷這樣的過(guò)程。目前有多種方法可以表示量子信息，當下已經(jīng)證明最具實(shí)用性的兩種技術(shù)，分別是超導量子位與捕獲離子量子位。二者有所不同，也各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在我們的小組中，我們一直專(zhuān)注于捕獲離子量子位的研究。

　　對于捕獲離子量子位，有趣的一點(diǎn)在于在數十個(gè)離子的小范圍之內，所有量子位都是直接對接的。這與固態(tài)系統中的超導機制完全不同。在超導機制中，我們必須與附近的量子位進(jìn)行通信。因此，我認為我們已經(jīng)有能力建立起非常具體的計劃，用以實(shí)現32量子位。這一點(diǎn)相當明確。我們希望進(jìn)一步將其擴展至64量子位左右，當然這還需要一些新的研究作為支持。

　　記者： 與研究量子計算機的其他各方相比，您的計算機設計方案為何能夠實(shí)現“實(shí)用性”?

　　KB： 我認為目前技術(shù)行業(yè)已經(jīng)在努力構建這些實(shí)用型設備。其中真正的區別體現在學(xué)術(shù)方面，我認為我們的思路將做出更多探索，旨在制造出一臺實(shí)體設備，供人們進(jìn)行架構測試以及應該在哪些具體應用上采取截然不同的實(shí)現思路。

　　這里僅舉一例，IBM公司已經(jīng)擁有自己的量子設備(去年底，IBM研制出50量子位的量子計算機)。我實(shí)際上通過(guò)其它項目與IBM方面進(jìn)行了合作，我認為他們也抱有非常開(kāi)放的心態(tài)。但就目前來(lái)講，這臺量子設備的交互方式仍然處于一定的抽象層級(人們可以對這臺量子計算機進(jìn)行在線(xiàn)查詢(xún)，但無(wú)法變更其編程方式)。換言之，大家無(wú)法對其編程方式進(jìn)行優(yōu)化。這里就存在一定的妥協(xié)：他們的計算機完全能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現訪(fǎng)問(wèn)，但為了實(shí)現穩定性，他們必須關(guān)閉一些功能。(IBM的量子計算機目前以隔離方式運行并計劃供更多研究人員使用，因此用戶(hù)無(wú)法針對任何特定任務(wù)對其進(jìn)行調整。)

　　因此，我們的目標是讓設備達到同樣的實(shí)用性水平，但同時(shí)又允許研究人員使用全部功能。

　　記者：量子計算將給普通人的生活帶來(lái)怎樣的影響?

　　KB： 我認為從長(cháng)遠角度來(lái)講，量子計算與通信將改變我們處理互聯(lián)網(wǎng)上編碼信息的方式。事實(shí)上，在谷歌Chrome瀏覽器當中，用戶(hù)已經(jīng)可以將加密方式切換為后量子時(shí)代下的加密設置。

　　第二點(diǎn)，我認為人們還沒(méi)有考慮到分子構成對材料造成的全部影響——從日常用品到特定新藥都可能涵蓋于其中。因此，如果量子計算機能夠以高效且準確的方式計算這些分子特性，我們無(wú)疑期待看到這一切將給未來(lái)的材料科學(xué)與藥學(xué)帶來(lái)怎樣的顛覆。

　　但關(guān)于家用計算機的使用方式，我想大多數人仍然是借此觀(guān)看網(wǎng)飛劇集或者偶爾發(fā)送一封電子郵件之類(lèi)，在這方面量子計算機的出現其實(shí)并不會(huì )造成太大的影響。

　　所以這個(gè)問(wèn)題就很有趣——我不知道量子計算機的真正用戶(hù)群體在哪里。當初經(jīng)典計算機真正問(wèn)世后，人們也曾抱有同樣的印象。他們可能認為這些計算機只適用于負責實(shí)驗室工作的科學(xué)家。但實(shí)際情況并非如此，所以對于量子計算機的實(shí)際用途，我也抱有開(kāi)放性的心態(tài)。

　　記者： 什么樣的人可以使用量子計算機?您打算如何培訓用戶(hù)來(lái)使用量子計算機，未來(lái)的量子計算又會(huì )發(fā)展到怎樣的水平?

　　KB： 在我向他人解釋量子計算時(shí)，如果對方擁有量子力學(xué)的物理或者化學(xué)相關(guān)知識，那么我通常會(huì )以此為起點(diǎn)將其解釋計算原理。從另一個(gè)角度來(lái)談也可以：如果對方非常了解計算，我也可以以此為基礎解釋量子計算所帶來(lái)的額外能力。

　　未來(lái)，我們可能面對來(lái)自這兩類(lèi)學(xué)科的培訓對象。我們需要具備物理科學(xué)背景的成員才能在計算機科學(xué)方面加快進(jìn)度，反之亦然。

　　至于具體舉措，我們打算建立量子時(shí)期培訓班，基本思路是引入業(yè)內人士，包括優(yōu)秀的微波工程師或者軟件工程師，嘗試為他們提供充足的工具以幫助其思考如何適應量子計算帶來(lái)的額外規則。

　　記者： 您需要完成哪些新研究，才能構建起這臺設備?具體需要進(jìn)行哪些工作?

　　KB： 我們已經(jīng)有了一些想法。在經(jīng)典計算機中，我們使用的是電壓; 但在量子計算中，我們需要以某種方式將信息從一個(gè)位置傳送到另一個(gè)位置。負責將信息傳遞至計算機其它部分的信使量子位必須與構成計算機其余部分的量子位屬于相同類(lèi)型嗎?關(guān)于這一點(diǎn)，我們還不確定。

　　在考慮對復雜量子計算機進(jìn)行規模擴展方面，目前通行的方法被稱(chēng)為CCD架構(http：//iontrap.umd.edu/wp-content/uploads/2012/12/Architecture-for-a-large-scale-ion-trap-quantum-computer.pdf)。其基本思路在于建立起能夠由某一點(diǎn)穿梭至另一點(diǎn)的可控離子鏈。這是其中的一種可能性。

　　目前的一些理論研究工作，主要關(guān)注是否能夠在離子鏈之間實(shí)現光子互連。各類(lèi)超級計算機都在考慮利用光子充當這些信使量子位。通過(guò)這種方式，我們基本上相當于建立起一大堆由光子連接起來(lái)的小型量子計算機，而連接而成的體系則可作為一臺規模更大的計算機。

　　但這樣的目標恐怕更為遙遠。我認為在未來(lái)五年之內，我們需要解決最重要的傳輸帶寬挑戰。如果能夠成功，那么這將是一項了不起的成就，并真正打開(kāi)通往新時(shí)代的大門(mén)。

　　記者：一路走來(lái)，您是如何判斷研究工作是否取得切實(shí)進(jìn)展的?您是否建立起相關(guān)的判斷基準?您如何測試以確定現有成果能夠正常工作?

　　KB： 在硬件方面，我們可以增加量子位數量并建立起更完善的邏輯門(mén)(大家應該還記得，邏輯門(mén)就是負責移動(dòng)離子或者光子以傳遞信息的東西)，這就是所謂切實(shí)的進(jìn)展。我們有一種感覺(jué)，即使數字不斷上漲，我們也至少需要突破50量子位這一難關(guān)才算真正有所成就。(截至今年3月，谷歌公司一直保持著(zhù)72量子位系統的世界紀錄。)

　　與此同時(shí)，我們還將采用我們所知道的算法與應用程序，并將其映射到新的硬件之上。我們將嘗試優(yōu)化算法，并以不易受噪聲影響的方式實(shí)現應用程序整體映射。

　　在運行這些應用程序之前，我們需要建立起一整套關(guān)于其在測試及一般性應用中失敗頻率的經(jīng)驗法則。但在我們的團隊對軟件進(jìn)行優(yōu)化之后，其失敗頻率應該會(huì )低得多。這將有助于我們在算法領(lǐng)域進(jìn)行更多探索，因為這將使我們有信心將量子計算機的復雜程度提升至新的高度。我認為最重要的是確保擁有充足的探索空間，審視人們目前還沒(méi)有考慮到的問(wèn)題。

　　記者：你遇到過(guò)的，關(guān)于量子計算機最糟糕的誤解是什么?人們對量子計算機存在哪些常見(jiàn)的錯誤看法?

　　KB： 其中最大的誤區在于，人們會(huì )將量子計算視為一種魔術(shù)。實(shí)際上，量子計算機并不是什么魔術(shù)，它也解決不了所有問(wèn)題。

　　實(shí)際情況是，在經(jīng)典計算中，我們會(huì )發(fā)現一些易于解決的問(wèn)題，也會(huì )遭遇一些很難解決的問(wèn)題。這意味著(zhù)我們無(wú)法在多項式時(shí)間(一條計算機術(shù)語(yǔ)，用于表達計算機能夠快速完成任務(wù))內將其解決。

　　事實(shí)證明，我們耗費了大量計算能力來(lái)解決在多項式時(shí)間內無(wú)法解決的問(wèn)題，但最終仍然只能獲得近似值結果。

　　量子計算機允許我們解決一些在經(jīng)典計算機上難以處理的問(wèn)題，但卻無(wú)法解決所有這類(lèi)問(wèn)題。一般來(lái)講，最讓我無(wú)法接觸的是很多量子計算文章中提到其能夠馬上解決所有問(wèn)題，因為量子計算機能夠同時(shí)進(jìn)行無(wú)限的并行計算。

　　如果量子計算機能夠研制成功，那么我無(wú)疑會(huì )對此感到非常興奮。有那么一類(lèi)問(wèn)題，最著(zhù)名的就是旅行商問(wèn)題——我們知道無(wú)法處理所有可能的銷(xiāo)售人員工作路線(xiàn)，但卻又必須找到最優(yōu)的解法。經(jīng)典計算機竭盡所能仍然無(wú)法達成目標，而給出的結果可能還是無(wú)法令人滿(mǎn)意。沒(méi)關(guān)系，人們會(huì )想，“好吧，計算機有時(shí)候也會(huì )犯錯?！?/p>

　　而一旦擁有了大型量子計算機，我們可以更準確地測試這類(lèi)算法。同樣的，我希望人們也能夠在解決眾多經(jīng)典問(wèn)題的同時(shí)，意識到這種新型計算機偶爾也會(huì )犯錯。

　　我是個(gè)很樂(lè )觀(guān)的人。我想，正是這種天性讓我選擇了這樣一個(gè)充滿(mǎn)不確定性的研究領(lǐng)域。