面對氣候變化等生存危機，量子計算機或許能幫我們？

谷歌的量子霸權

2019年6月4日，谷歌的量子研究團隊召開了一次緊急會議。在過去10年中，這個團隊的大部分精力都用來建造一臺能實際運行的量子計算機，距離量子霸權越來越近。

團隊成員塞爾吉奧·博伊克索（Sergio Boixo）設計了一個傳統計算機幾乎不可能完成的任務，但谷歌的Sycamore量子晶片卻能輕而易舉地解決。模擬結果看起來不錯，到2019年4月底，量子霸權對谷歌來說似乎已經觸手可及。

但在5月31日，谷歌的另一個團隊發現，對於一臺傳統計算機來說，博伊克索的任務實際上比想像中簡單一百萬倍。

「我有點慌了。」博伊克索說。

安東尼·梅格蘭特（Anthony Megrant）是團隊中的量子硬體工程師。問題發生時，他正在休陪產假。6月初他回到實驗室，發現實驗室裡一片慌亂。「我當時的反應是：認真的嗎？我才離開一周啊！」他笑著說。

6月7日，谷歌團隊重新設計了任務，並將其編入Sycamore量子晶片。這個晶片只有拇指指甲大小，被放置在一個巨大的低溫恆溫器底部。

谷歌量子計算實驗室中的低溫恆溫器，旨在將量子晶片保持在接近絕對零度的溫度中

在顯微鏡下，Sycamore晶片看起來和其他晶片沒什麼不同——晶片上布滿了令人眼花繚亂的銀色圖案。但在6月13日，它完成了一件傳統計算機不可能做到的事情：Sycamore晶片完成了博伊克索的任務，用時3分20秒，而傳統的Summit超級計算機完成這項任務需要花費1萬年。

2019年9月，這條消息被洩露，立刻成為全球頭條新聞，引發了巨大爭議。IBM質疑，谷歌所謂的傳統計算機10000年才能完成的運算，實際上只要2.5天就可以完成。Google團隊則認為，得把傳統計算機連接到核電站上，才能在2.5天完成。

谷歌量子計算理論的首席科學家博伊克索

強大的量子計算機

1981年5月6日，量子力學界的領軍人物理察·費曼（Richard Feynman）在加州理工學院演講時，提到了模擬自然的問題。

量子力學研究的是物理學極微觀層面發生的奇怪現象。在亞原子層面，自然不再遵守我們熟悉的法則。電子和光子有時像波，有時像粒子。被測量前，它們甚至可以同時處於兩種狀態，或者同時出現在兩個地方——這種現象被稱為量子疊加。

費曼是第一個意識到其中意義的人。如果想精確地模擬物理、化學或其他任何既複雜又微小的東西，必然需要一個遵循量子力學定律的設備。這對傳統計算機來說是個難題。

傳統計算機的單位是比特——開的位置用「1」表示，關的位置用「0」表示。你訪問的每一個網站，玩的每一個電子遊戲，觀看的每一個視頻，本質上都是由0和1組成的。但是比特非黑即白，要麼是0要麼是1，這意味著一些看似簡單的問題對傳統計算機來說非常複雜。

「比如說，我們想從英國到美國的14個城市，需要找出最佳路徑——我的筆記本電腦可以在一秒鐘內做到這一點，」威廉·赫爾利（William Hurley）解釋道，他是Strangeworks公司的創始人，該公司旨在實現量子計算。「但如果我用同樣的算法，用同樣的筆記本電腦，計算去22個城市的最佳路徑，那將需要2000年。」

想找到最佳路徑，傳統計算機必須檢查每一條可能路線——去11個城市的可能路線有2千萬條，12個城市有2.4億條，15個城市超過6500億條。每增加一個變量，可能性成倍增長。

2012年，澳大利亞研究人員發明了一種由單個原子組成的電晶體，可以在兩種狀態之間切換，表示1和0。從那以後，除了進入量子領域，計算機就沒有別的出路了。

在微軟的雷德蒙德園區，一個精密的烙鐵將量子元件固定在一塊電路板上

1985年，牛津大學物理學家大衛·多伊奇（David Deutsch）發現，量子計算機遠比物理模擬器更強大。比特只能是1或0，而量子比特可以是1或0，也可以同時是1和0。

多伊奇認為，利用量子力學的不確定性，量子計算機可以同時並行地嘗試每條路徑，不用像傳統計算機那樣依次嘗試。

1994年，牛津大學量子物理教授阿圖爾·埃克特（Artur Ekert）在國際原子物理學會議上發表了演講。他第一次將量子計算分解成基本的組成部分，並將其與傳統計算機進行了類比，描述了建造量子機器所需的開關和邏輯門類型。

埃克特的演講為量子競賽打響了發令槍。

「這次會議開啟了一場雪崩。突然之間，計算機科學家們開始談論算法；原子物理學家看到了他們的用武之地。後來這場雪崩蔓延到其他領域，開始加速發展，最後變成了你現在看到的這個行業。」

量子競賽

20世紀90年代，量子比特只是一個純理論構想。科學家們需要找到或創造一種既小到能夠遵守量子力學定律，又大到能夠控制的東西。

過去十年裡，谷歌、亞馬遜、微軟、IBM等公司你追我趕，都想成為第一個製造出量子計算機的公司。

2013年，谷歌建立了量子人工智慧實驗室，致力於通過超導量子比特，實現量子計算。超導量子比特的研發是基於一種被稱為約瑟夫森結的獨特結構——一種特殊構造的微小金屬環，具有非線性特性，可以被限制在兩種狀態的疊加。本質上，它就像一個開關。谷歌和IBM等公司都將超導量子比特作為量子計算機的突破方向。

在谷歌實驗室中，梅格蘭特解釋了如何使用微波脈衝將每個量子比特的能量狀態在0到1之間轉換，以及研究人員如何修改每個狀態的閾值和量子比特之間的耦合強度來實現糾纏。

但這些必須在極低的溫度下進行，因為所有類型的量子比特都非常挑剔——最輕微的幹擾都能使疊加狀態消失，所以需要儘可能地把它們與環境隔離，但同時還要想辦法控制它們。

微軟工程師正在組裝量子計算機低溫恆溫器的「枝形吊燈」

微軟和谷歌目前都在製造一種可以在較低溫度下工作的晶片，從而在不增加幹擾的情況下控制量子比特。這是一場與時間賽跑的比賽，必須在量子比特疊加狀態消失之前的幾分之一秒內完成儘可能多的運算。

在過去十年中，量子比特的數量在不斷升級。2016年，谷歌用9個量子比特模擬了一個氫分子；2017年，英特爾實現了17個量子比特；同年，IBM宣布製造了一個50個量子比特的晶片，可以將量子疊加狀態維持90微秒；2018年，谷歌推出了擁有72個量子比特的處理器Bristlecone……

谷歌量子硬體工程師安東尼·梅格蘭特

谷歌的Sycamore晶片只擁有54個量子比特，但是這些量子比特被安排在一個網格中，加快了計算速度。在2019年伊始，谷歌團隊逐漸增加了實驗難度。起初，一切看起來進展順利，但幾個月後，他們發現量子晶片的性能出現了顯著下降，其複雜度與超級計算機模擬量子比特的複雜度差不多。

遇到一個問題，很難知道是由於製造錯誤、噪音和幹擾，還是因為遇到了一個本質問題——一些未被發現的宇宙定律。「也許量子力學在30個量子比特就停止了，」梅格蘭特開玩笑說。

最後，他們發現問題是一個校準錯誤引起的。但一些研究人員認為，可能還有其他影響因素，因為即使谷歌盡一切努力保護量子比特不受幹擾，計算錯誤率仍舊居高不下。當然，我們可以對這些錯誤進行校正，但需要更多的量子比特——然後需要更多的量子比特來校正這些量子比特。

這就是為什麼創造了「量子霸權」一詞的物理學家約翰·普萊斯基爾（John Preskill）認為，我們離真實的量子計算機還有很長的路要走。也因此，微軟確信超導量子比特是一條走不通的死胡同。微軟量子硬體部門的總經理凱坦•納亞克（Chetan Nayak）說：「商用量子計算機怎樣解決傳統計算機無法解決的問題，我們看不到任何希望。」

微軟選擇了另外一條道路：微軟目前正在測試一種低溫恆溫器，看起來和谷歌的恆溫器非常相似，但是將用於一種不同類型的量子處理器。

如果說谷歌登上量子霸權山頂的路非常崎嶇，那麼微軟也許一開始就走錯了方向。他們試圖利用一種被稱為「拓撲量子比特」的東西來代替超導量子比特。唯一的問題是，這種東西可能並不存在。

拓撲量子比特是基於一種叫做馬約拉納費米子的粒子，能同時在多個地方編碼量子比特的狀態。納亞克用《哈利·波特》中的例子來解釋拓撲量子比特：

「故事的反派Boss伏地魔把靈魂做成了七個魂器，藏在不同的地方，這樣他就不會被殺死。」「我們用拓撲量子比特所做的，就是將我們的量子比特分散到6個馬約拉納費米子上，這就是我們的魂器。僅僅對它們中的一個或另一個做點什麼，是不能殺死「伏地魔」的，量子比特仍然在那裡。」

但是科學家們始終無法確定馬約拉納費米子是否存在。自20世紀30年代以來，人們就開始將其理論化，但實驗證據並非無懈可擊。儘管如此，微軟卻很自信。

科技與自然的對抗

比起「量子霸權」，微軟和IBM現在更喜歡談論「量子優勢」——量子計算機可以讓你做到以前做不到的事情。

谷歌發言人表示，「我們真正關注的是提供價值和提供量子優勢，而不是在與行業無關的問題上顯示霸權。」

要想實現量子優勢，僅僅在恆溫裡裝幾塊晶片是不夠的，量子計算需要圍繞它建設的一系列基礎設施，而現在爭奪這些新設備使用的算法和程式語言的競賽已經開始。

目前被考慮的絕大多數算法都遠遠超過了量子系統的性能指標，理論遠遠領先於實驗。儘管如此，谷歌、微軟、IBM等公司都在致力於開發量子計算機的算法和語言。

微軟開發了第一批專門用於處理各種類型量子計算機異常的程式語言Q#。谷歌的Cirq和IBM的Qiskit都是開源框架，幫助研究人員開發NISQ時代的算法。

各公司也在大力推進商業應用：IBM已經與包括埃克森美孚、巴克萊、三星在內的100多家公司展開合作；微軟有Azure Quantum，允許客戶接入IonQ的離子陷量子計算機和康乃狄克州QCI公司正在開發的超導量子比特。

即使沒有可靠的硬體，量子算法也已經產生了一定影響。這些被稱為「量子啟發的優化算法」已經被用於交通管理、電池開發、減少分析核磁共振掃描所需時間……

2019年，IBM推出了第一臺商用量子計算機——20量子比特的IBM Q System One

博伊克索希望量子計算機能夠解決我們面臨的一些生存危機。「氣候變化本質上是一個能源問題——能源是一個物理、化學過程，」他說。「也許，如果我們製造出可以進行模擬的工具，我們就能發起一場新的工業革命，更有效地利用能源。」

一臺實用的、可以糾正錯誤的量子計算機可以改變世界，揭示關於宇宙本身的基本真理。「這不是公司與公司之間的競爭，」他說，「而是科技與自然的對抗。」

（本文未經造就授權，禁止轉載。）

文字 | 田曉娜

版面 | 王海虹