陳根:從經典計算到量子計算,跳出局限的力量

文/陳根

1900年，普朗克在論文裡首次提出了能量的不連續性，一腳踢開了量子力學的大門。在量子世界裡，所有物質都可以被還原成61種基本粒子。其中最重的基本粒子，質量也不超過3.1×10^-25千克。

20世紀40年代，圖靈精確定義了算法的含義，並描述了我們現在所稱的圖靈機（Turing machine）：可以執行任何算法的單一通用可編程計算設備。此後，計算機逐漸發展成為了一個產業，並深刻改變了我們的生活。

1981 年，著名物理學家費曼觀察到基於圖靈模型的普通計算機在模擬量子力學系統時遇到的諸多困難，進而提出了經典計算機模擬量子系統的設想。當量子物理與計算機器狹路相逢，1985年，通用量子計算機概念終於誕生。

自此，量子力學進入了快速轉化為真正的社會技術的進程，人類在量子計算應用發展的道路上行進的速度也越來越快。如今，量子計算離我們已不再遙遠。

從經典計算到量子計算

通常來說，量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，它與現有計算模式完全不同。在理解量子計算的概念時，通常將它與經典計算相比較。

在經典計算機中，信息的基本單位是位（Bit）。所有這些計算機所做的事情都可以被分解成0s 和 1s 的模式，以及 0s 和 1s 的簡單操作。

與傳統計算機由比特構成的方式類似，量子計算機由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構成，一個量子比特對應一個狀態（state）。但是，比特的狀態是一個數字（0 或1），而量子比特的狀態是一個向量。更具體地說，量子位的狀態是二維向量空間中的向量。這個向量空間稱為狀態空間。

經典計算使用二進位的數字電子方式進行運算，而二進位總是處於0或1的確定狀態。於是，量子計算藉助量子力學的疊加特性，能夠實現計算狀態的疊加。即不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態(superposition)。

普通計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進位數(00、01、10、11中的一個)，而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態的疊加。當量子比特的數量為n個時，量子處理器對n個量子位執行一個操作就相當於對經典位執行2n個操作。

此外，加上量子糾纏的特性，量子計算機相較於當前使用最強算法的經典計算機，理論上將在一些具體問題上有更快的處理速度和更強的處理能力。

近年來，量子計算技術與產業呈現加速發展態勢，而有關量子計算技術的突破多與三個因素有關，即量子比特能夠維持量子態的時間長度、量子系統中連接在一起的量子比特的數量和對量子系統出錯的把握。

量子比特能夠維持量子態的時間長度，被稱為量子比特相干時間。其維持「疊加態」（量子比特同時代表1和0）時間越長，它能夠處理的程序步驟就越多，因而可以進行的計算就越複雜。其中，IBM率先將量子技術引入實用計算系統，將量子比特相干時間提高到了100微秒。而當量子比特相干時間達到毫秒級時，將足以支持一臺能夠解決當今「經典」機器解決不了的問題的計算機。

從量子系統中連接在一起的量子比特的數量突破來看，2019年10月，谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54個量子位處理器Sycamore，實現了量子優越性。具體來說，Sycamore能夠在200秒內完成規定操作，而相同的運算量在當今世界最大的超級計算機Summit上則需要1萬年才能完成。這項工作是人類歷史上首次在實驗環境中驗證了量子優越性，也被《Nature》認為在量子計算的歷史上具有裡程碑意義。

除了解決量子比特的數量問題，由於當量子比特失去相干性時，信息就會丟失，因此量子計算技術還需要面臨如何去控制，以及如何去讀取量子比特。然後在讀取和控制達到比較高的保真度之後，去對量子系統做量子糾錯的操作。

基於此，研究人員借鑑經典計算機裡面糾錯的概念，來確保最後總的等效的量子操作，可以達到比較高的保真度，開發了所謂的量子糾錯。當然，現階段的量子糾錯還需要突破規模的門檻，但顯然不再是遙遙無期。

量子計算有多少種可能？

量子力學是物理學中研究亞原子粒子行為的一個分支，而運用神秘的量子力學的量子計算機，超越了經典牛頓物理學極限的特性，對於實現計算能力的指數級增長則成為科技界長期以來的夢想。

量子計算為未來的科技發展提供了誘人的可能性，嘗試利用這一新硬體的力量的研究人員，則主要從三個類型的問題入手。

第一類型的問題涉及到分析自然世界：以今天的計算機無法比擬的精度，用量子計算機模擬分子的行為。其中，計算化學則是最大的一個應用領域。事實上，在過去兩年裡，量子計算機在用越來越多的經驗證據取代猜測方面，貢獻的價值已經越來越大。

比如，模擬一種相對基礎的分子（如咖啡因）將需要一臺10的48次方比特的傳統計算機，這相當於地球上原子數量的10%。而模擬青黴素則需要10的86次方比特——這個數字比可觀測宇宙中的原子數量總和都要大。

傳統計算機永遠無法處理這種任務，但在量子領域，這樣的計算則成為可能。理論上，一臺有160量子比特的量子計算機可以就模擬咖啡因，而模擬青黴素需要286個量子比特。這為設計新材料或者找到更好方法來處理現有工藝提供了更便捷的手段。

就在8 月 27 日，Google 量子研究團隊宣布其在量子計算機上模擬了迄今最大規模的化學反應。相關成果登上了《科學》雜誌的封面，題為《超導量子比特量子計算機的 Hartree-Fock近似模擬》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）。

為了完成這項最新成果，研究人員使用 Sycamore 處理器，模擬了一個由兩個氮原子和兩個氫原子組成的二氮烯分子的異構化反應。最終，量子模擬與研究人員在經典計算機上進行的模擬一致，驗證了他們的工作。

值得一提的是，這項新研究所用的 Sycamore正是被《Nature》認為在量子計算的歷史上具有裡程碑的54個量子位處理器。儘管這種化學反應可能相對簡單，也不是非量子計算機而不可為，但這展示了利用量子模擬開發新的化學物質的巨大潛力。

此外，量子計算也有望為人工智慧帶來更多好處。目前，針對人工智慧產生的量子算法潛在應用包括量子神經網絡、自然語言處理、交通優化和圖像處理等。其中，量子神經網絡作為量子科學、信息科學和認知科學多個學科交叉形成的研究領域，可以利用量子計算的強大算力，提升神經計算的信息處理能力。

在自然語言處理上，2020年4月，劍橋量子計算公司宣布在量子計算機上執行的自然語言處理測試獲得成功。這是全球範圍內量子自然語言處理應用獲得的首次成功驗證。研究人員利用自然語言的「本徵量子」結構將帶有語法的語句轉譯為量子線路，在量子計算機上實現程序處理的過程，並得到語句中問題的解答。而利用量子計算，將有望實現自然語言處理在「語義感知」方面的進一步突破。

最後，則是量子計算對於複雜問題的優化可能性，而這些複雜問題往往對於今天的計算機來說變量太多。比如，量子計算在複雜問題上的一個用途是建立更好的金融市場模型。通過發明新數字來加強加密，並提高混亂和複雜領域的運營效率，例如交易清算和對帳。包括衍生品定價、投資組合優化以及在高度複雜和不斷變化的情況下管理風險，則都是量子系統可以處理的事情。

跳出局限的力量

當前，在全球範圍內，多國政府不斷出臺支持量子信息技術的發展戰略，下撥大量資金用於以量子計算為主的量子信息技術研究。針對量子計算機技術實現的路徑呈現出多樣化，包括光學、離子阱、中性原子、核磁共振、超導、固態量子點、拓撲等。

科技巨頭方面，美國Google、IBM、Intel、Microsoft、Honeywell相繼在量子計算領域投入布局，強化資金配置、工程實現和軟體控制等能力，積極進行量子處理器原型產品及軟體算法的技術研發。

在量子處理器物理實現方案方面，Google和IBM均基於超導路線，Intel同時布局矽量子點和超導兩種路線，Microsoft則看好全新的拓撲路線，Honeywell側重離子阱路線。

我國科技公司阿里巴巴、騰訊、百度、華為相比於美國巨頭進入量子計算領域的時間相對較晚，但近年來也已通過與科研院所合作或聘請知名科學家等方式成立相關實驗室，在量子計算雲平臺、算法、軟體和應用等方面研究布局。

儘管對於當前來說，量子計算並不像傳統計算那樣具有通用性，但其作為通往一個陌生新世界的門戶來到我們面前，是一個讓我們能夠以修正的定義來看待我們當前世界的入口。

從長遠來看，在世界範圍內的布局和發展下，量子計算將極有可能徹底消除時間障礙，成本障礙也將隨之降低。未來或將出現全新類型的機器學習範式，但在真正像傳統計算機那樣具有通用功能的通用量子計算機成型之前，量子計算也依然需要一段漫長的探索過程。