“編寫量子糾錯代碼比實現量子霸權更加困難。”

在付出了幾十年艱辛的努力卻看不到成功的希望之後，量子計算忽然大放光芒，突飛猛進。

近兩年前，IBM推出了一臺量子計算機：5量子位的IBM Q Experience。它似乎更像是研究人員的玩物，而不是能處理大量數據的工具。但全世界仍有7萬名用戶註冊使用它，現在，其量子位已經增加到原來的四倍。過去幾個月裡，IBM和英特爾宣佈，他們分別研製出50和49量子位的量子計算機。據推測，谷歌的量子計算機也蓄勢待發。

“這一領域充滿了能量，近期取得了巨大的進展。”柏林自由大學物理學家延斯·艾塞特（Jens Eisert）說。

現在，人們大談“量子霸權”時代即將來臨，屆時，量子計算機的計算能力將超過如今最強大的傳統計算機。赤裸裸的數字對比，可能會讓你覺得“量子霸權”完全是個笑話：50量子位VS.筆記本電腦中的數十億傳統比特。

但量子計算的意義在於，一個量子位比一個傳統比特要強大得太多太多。

50量子位計算機在很短的時間內，就能完成傳統計算機需要極長時間才能完成的計算。2017年年中，谷歌研究人員宣佈，他們有望在年底前實現量子霸權。（近日被問及最新進展時，谷歌發言人說，“我們希望儘快公佈結果，但我們正在檢查所有細節工作，確保在公佈前有一個確鑿的結果。”）

這一切很容易讓人們得出這樣的結論：理論上的基本問題已經解決，現在，量子計算的大規模應用只是工程上的問題而已。但這種看法是錯誤的。量子計算的基本問題遠未得到解決，距離大規模應用還有很長的路要走。

即使我們很快跨過量子霸權的門檻，接下來的一兩年或許才是考驗量子計算機能否顛覆計算領域的關鍵時刻。一切仍有待努力，成功並非板上釘釘。

在IBM位於紐約州約克敦海茨Thomas J. Watson研究中心的量子計算中心，量子計算機放置在巨大的低溫箱裡（右邊較遠處），箱內溫度只比絕對零度高零點幾度

說不清道不明的量子計算

量子計算帶來的好處和挑戰，都是物理學的固有特性。量子計算的基本原理已經說了很多次，但細節之處並不總是被人提起。傳統計算機把信息作為二進制字符串來編碼和處理，傳統比特要麼是1，要麼是0。量子計算機也是如此，但區別在於，量子位可以處於疊加態，既是1也是0，這意味著在某個定義明確的概率下，對量子位狀態的測量可以得出1或者0的答案。

利用多個量子位進行計算時，必須使各個量子位處於互相依存的疊加態，也就是量子位互相糾纏的“量子相干”態。這樣一來，對一個量子位的調整會影響到其他所有量子位。這意味著，量子位的計算能力遠遠超過傳統比特的計算能力。對傳統計算機來說，比特數量增加，計算資源也會相應增加，但增幅不會太大，但對量子計算機而言，每增加一個量子位，就可能使計算資源翻倍。因此，5量子位和50量子位計算機可謂有著天壤之別。

請注意，雖然經常有人說，與傳統比特相比，量子計算機具有優勢，因為量子疊加態大大增加了可編碼的狀態數量，但我沒有這樣說過。我也沒說量子糾纏使很多計算任務可以並行開展。（高強度的量子位糾纏並非必不可少。）某些情況下，這些說法有一定的真實性，但都沒有抓住量子計算的實質。

IBM存放50量子位系統的低溫箱內部

很難說清楚量子計算究竟為何如此強大，因為很難具體說明量子力學到底意味著什麼。量子理論中的公式無疑證明量子計算是可行的：至少對因數分解、數據庫搜索等某些類型的計算而言，計算速度可以獲得大幅提升。但究竟是怎麼做到的？

在描述量子計算時，最保險的說法也許是：量子力學為量子計算機提供了一種傳統計算機所沒有的“資源”。正如加拿大圓周理論物理研究所的量子理論學家丹尼爾·戈茨曼（Daniel Gottesman）所說，“如果你有足夠的量子力學來支撐，那麼在某種意義上，你就能加快計算速度。如果你沒有，就不能加快速度。”

但有些事情是明確的。要進行量子計算，就必須使所有的量子位相干。而這非常難。量子相干系統與周圍環境的相互影響創造出一個個通道，通過這些通道，相干性會迅速“洩露”，這個過程被稱為“退相干”。想要打造量子計算機，研究人員必須避免退相干，現在，他們只能在零點幾秒內做到這一點。

隨著量子位數量的增加（因而與環境相互影響的可能性也隨之加大），避免退相干變得愈加困難。從很大程度上來說，這就是量子計算機從概念提出到真正誕生，會耗時如此之久的原因。

1982年，理查德·費曼（Richard Feynman）首次提出量子計算概念，相關理論在90年代初形成體系，但直到現在，才研製出可運行的量子計算機，能真正進行有意義的計算。

出錯率

量子計算實現起來如此困難，還有第二個重要原因。與自然界的其他所有過程一樣，量子計算存在噪聲。量子位熱量或者量子力學基本過程產生的隨機波動，偶爾會反轉或打亂量子位的狀態，從而導致計算出錯。對傳統計算來說，這也是個問題，但不難解決，只需保留每個比特的兩個或多個備份，從而使那些被隨機反轉的比特顯得格格不入。

量子計算機研究人員已經想出了處理噪聲的對策，但這些對策會大大增加計算負擔——你所有的計算能力將被用來糾正錯誤，而不是運行算法。

“當前的出錯率嚴重限制了可執行計算的長度。”馬里蘭大學量子信息與計算機科學中心聯合主任安德魯·柴爾德（Andrew Childs）說，“如果想做點有意思的計算，我們必須找到更好的解決辦法。”

馬里蘭大學量子理論學家安德魯·柴爾德說，出錯率是量子計算機的一個重要問題

對量子計算基本問題的很多研究都集中在糾錯上。它之所以如此困難，原因之一在於量子系統的另一個重要特性：只要一測量量子位的值，疊加態便無法維持。你一測量，疊加態就會塌縮成一個確定的值：1或者0。

那麼，在不清楚量子位狀態的情況下，如何才能知道這個量子位是否出錯？

一個聰明的辦法是間接觀察，把這個量子位與另一個不參與計算的“輔助”量子位配對。這樣，我們就能在主量子位狀態不塌縮的情況下，觀測“輔助”量子位。但這做起來很複雜。這樣的解決辦法意味著，為了創造真正的“邏輯量子位”來糾錯，你需要很多物理量子位。

需要多少？哈佛大學量子理論學家阿蘭·阿斯普魯-古茲克（Alán Aspuru-Guzik）估計，需要大約1萬個物理量子位，才能創造出一個邏輯比特位。這完全是不現實的。

他說，如果量子位的質量大幅提高，這個數字可以減少至幾千甚至幾百個。艾塞特則要樂觀一些，他說800個物理量子位也許就夠了。即便如此，他也認為這會產生很重的計算負擔，眼下，我們需要想辦法來處理容易出錯的量子位。

另一個糾錯方法是避免錯誤或者消除錯誤的影響，這就是“錯誤抑制”。例如，IBM的研究人員正在想辦法弄清楚在一次計算中可能產生多少錯誤，然後推斷計算結果的“零噪聲”限制。

一些研究人員認為，糾錯這個問題將難以解決，它會妨礙量子計算機達到人類對它們的崇高期望。

“編寫量子糾錯代碼比實現量子霸權更加困難。”以色列希伯來大學的數學家吉爾·卡拉伊（Gil Kalai）說，“從計算角度而言，沒有糾錯功能的設備是非常落後的，落後就談不上霸權。”換言之，如果存在錯誤，就不可能比傳統計算機更好。

其他人則相信，這個問題最終將得以解決。IBM下屬Thomas J. Watson研究中心的量子信息科學家傑伊·甘貝塔（Jay Gambetta）說，“我們最近在IBM開展的實驗已經論證了在小型設備上進行量子糾錯的基本要素，這為大型設備的量子位在噪聲存在的情況下長期、可靠地存儲量子信息鋪平了道路。”儘管如此，他也承認，“那種必須使用邏輯量子位、具有容錯功能的通用型量子計算機，距離我們還很遙遠”。得知IBM的上述進展後，柴爾德表達了謹慎樂觀的態度。“我相信，在糾錯問題上的實驗論證將得到改進，但我認為，要用於真正的計算，還需要相當長的時間。”他說。

與錯誤共處

目前的量子計算機容易出錯，這已是不爭的事實，問題是如何與錯誤共處。IBM研究人員把“近似的量子計算”作為短期內努力的方向：找到容納噪聲的方法。

這需要容錯算法——在錯誤存在的情況下，依然能得到正確結果。這有點像是，在少數選票計票錯誤的情況下，仍能統計出選舉結果。“即使沒有做到完全容錯，規模夠大、保真度夠高的量子計算（相對於傳統計算來說）也應該具有某種優勢。”甘貝塔說。

最直觀的容錯應用之一是模擬原子級的東西，這似乎對科學家比對大眾更有價值。實際上，這就是費曼當初提出量子計算概念的初衷。量子力學公式指明瞭計算分子屬性（比如穩定性和化學反應性）的方法，但這些公式必須經過大量簡化，才能用傳統計算機求解。

相比之下，柴爾德說，電子和原子的量子行為“更貼近量子計算機的本質行為”。所以我們可以針對分子，建立精確的計算機模型。“這個圈子裡的很多人，包括我在內，都認為量子化學和材料科學將是最先應用此類設備的領域之一。”古茲克說。他一直以來都在帶頭推動量子計算朝這個方向發展。

即便是在目前非常小的量子計算機上，量子模擬也證明了自己的價值。包括古茲克在內的一群研究人員開發了一種算法，他們稱之為“可變量子本徵求解”（Variational Quantum Eigensolver，簡稱VQE）。這種算法能有效找出分子的最低能態，哪怕存在噪聲量子位。到目前為止，該算法只能處理電子數量很少的小分子，而且傳統計算機已經能準確模擬。但量子計算機的能力正變得越來越強大。去年9月，甘貝塔和同事利用IBM的6量子位計算機來計算分子的電子結構，包括氫化鋰和氫化鈹。瑞士聯邦理工學院的物理化學家馬庫斯·萊赫（Markus Reiher）說，這是“邁向量子政權的一大步”。甘貝塔稱，“近期有可能出現一批啟發式算法，而VQE在小分子模擬方面的應用就是一個很好的例子。”

儘管如此，古茲克坦言，量子計算機要真正超越傳統計算機，可能還需要具有糾錯功能的邏輯量子位才行。“如果哪一天量子計算真的能糾錯了，我會非常興奮。”他說。

“如果有200多個邏輯量子位，我們就可以超越標準方法的範疇，在量子化學方面做點事情。”萊赫說，“如果有5000個邏輯量子位，那麼量子計算機將徹底改變這個領域。”

你的量子體積是多少？

儘管這些目標實現起來並不容易，但量子計算機從5個量子位增加到50個量子位，只用了一年多時間，這樣的快速發展使人們燃起了希望。然而，我們不應該對這些數字沾沾自喜，因為它們只是成功的因素之一。重要的不僅僅在於量子位的數量，還在於它們的質量以及算法的效率。

量子計算必須在退相干發生前完成。一般來說，目前量子位組的退相干時間只有百萬分之幾秒。在那一瞬間可執行的邏輯操作的數量，取決於量子門開關的速度。如果這個速度太慢，有多少個量子位都沒用。計算過程中所需要的門操作的數量，被稱為深度：低深度算法比高深度算法更可行，但問題是它們能否被用來執行有意義的計算。

而且，並非所有量子位都具有同樣的噪聲大小。從理論上來說，應該有可能利用某些材料的拓撲電子態，來創造噪聲非常低的量子位。在這些材料的拓撲電子態中，用來編碼二進制信息的電子態“形狀”有助於防止隨機噪聲。目前，微軟公司研究人員正在獨特的量子材料中尋找這種拓撲態，但至於能否找到，或者是否可控，還是未知數。

IBM研究人員把一臺特定設備的量子計算能力稱為“量子體積”，其中包含了所有相關因素：量子位的數量和連接性，算法的深度，以及門質量的其他指標，比如噪聲。量子體積描述了量子計算能力的各個特徵。甘貝塔表示，目前最好的努力方向，是研製能增加可用量子體積的量子計算硬件。

這也是現在提及量子霸權，尚有些言過其實的原因之一。50量子位計算機勝過最先進傳統計算機的景象雖然充滿吸引力，但有很多問題懸而未決。在哪方面勝過？如果無法用一種得到了檢驗的傳統設備來檢查，你怎麼知道量子計算機得出的答案是正確的？如果有適當的算法，你怎麼敢肯定，傳統計算機不會表現得更好？

所以，量子霸權是一個需要小心處理的概念。現在，一些研究人員更喜歡說“量子優勢”（指量子設備更快的運算速度），而不是在量子計算機與傳統計算機孰優孰劣的問題上下定論。由於其帶有的種族和政治寓意，“霸權”這個詞也招致了人們的反感。

不管你怎麼稱呼它，證明量子計算機能做到目前傳統計算機做不到的事情，這對該領域具有重大的心理意義。“能清楚地證明量子優勢，這將成為一個重要的里程碑。”艾塞特說。這將證明，量子計算機真的能拓展技術上的可能性。

這也許更像是具有象徵意義的舉動，而不是計算資源的轉變。但這樣的事情或許很重要，因為量子計算若要取得成功，靠的不是IBM和谷歌等公司突然開始銷售強大的新機器，而是要靠研發者與用戶之間互相交流、甚至是有點混亂的合作。只有當用戶相信量子計算機值得去做，他們才會去打磨自己的技能。這就是IBM和谷歌為什麼一準備好他們的量子設備就急於向外界開放的原因。除了向所有在線註冊用戶提供16量子位的IBM Q Experience以外，IBM目前還向企業客戶提供20量子位的版本，包括摩根大通、戴姆勒、本田、三星和牛津大學等。這不僅有助於客戶發現量子計算對他們的價值，還能創造出一個精通量子學的程序員群體，他們將設計資源、解決問題，彌補企業留下的空缺。

“量子計算想要獲得發展並開花結果，我們必須讓全世界能夠去使用和了解它。”甘貝塔說，“對科學界和產業界而言，目前的重點是把量子技術準備好。”

翻譯：于波

校對：其奇

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