“编写量子纠错代码比实现量子霸权更加困难。”

在付出了几十年艰辛的努力却看不到成功的希望之后，量子计算忽然大放光芒，突飞猛进。

近两年前，IBM推出了一台量子计算机：5量子位的IBM Q Experience。它似乎更像是研究人员的玩物，而不是能处理大量数据的工具。但全世界仍有7万名用户注册使用它，现在，其量子位已经增加到原来的四倍。过去几个月里，IBM和英特尔宣布，他们分别研制出50和49量子位的量子计算机。据推测，谷歌的量子计算机也蓄势待发。

“这一领域充满了能量，近期取得了巨大的进展。”柏林自由大学物理学家延斯·艾塞特（Jens Eisert）说。

现在，人们大谈“量子霸权”时代即将来临，届时，量子计算机的计算能力将超过如今最强大的传统计算机。赤裸裸的数字对比，可能会让你觉得“量子霸权”完全是个笑话：50量子位VS.笔记本电脑中的数十亿传统比特。

但量子计算的意义在于，一个量子位比一个传统比特要强大得太多太多。

50量子位计算机在很短的时间内，就能完成传统计算机需要极长时间才能完成的计算。2017年年中，谷歌研究人员宣布，他们有望在年底前实现量子霸权。（近日被问及最新进展时，谷歌发言人说，“我们希望尽快公布结果，但我们正在检查所有细节工作，确保在公布前有一个确凿的结果。”）

这一切很容易让人们得出这样的结论：理论上的基本问题已经解决，现在，量子计算的大规模应用只是工程上的问题而已。但这种看法是错误的。量子计算的基本问题远未得到解决，距离大规模应用还有很长的路要走。

即使我们很快跨过量子霸权的门槛，接下来的一两年或许才是考验量子计算机能否颠覆计算领域的关键时刻。一切仍有待努力，成功并非板上钉钉。

在IBM位于纽约州约克敦海茨Thomas J. Watson研究中心的量子计算中心，量子计算机放置在巨大的低温箱里（右边较远处），箱内温度只比绝对零度高零点几度

说不清道不明的量子计算

量子计算带来的好处和挑战，都是物理学的固有特性。量子计算的基本原理已经说了很多次，但细节之处并不总是被人提起。传统计算机把信息作为二进制字符串来编码和处理，传统比特要么是1，要么是0。量子计算机也是如此，但区别在于，量子位可以处于叠加态，既是1也是0，这意味着在某个定义明确的概率下，对量子位状态的测量可以得出1或者0的答案。

利用多个量子位进行计算时，必须使各个量子位处于互相依存的叠加态，也就是量子位互相纠缠的“量子相干”态。这样一来，对一个量子位的调整会影响到其他所有量子位。这意味着，量子位的计算能力远远超过传统比特的计算能力。对传统计算机来说，比特数量增加，计算资源也会相应增加，但增幅不会太大，但对量子计算机而言，每增加一个量子位，就可能使计算资源翻倍。因此，5量子位和50量子位计算机可谓有着天壤之别。

请注意，虽然经常有人说，与传统比特相比，量子计算机具有优势，因为量子叠加态大大增加了可编码的状态数量，但我没有这样说过。我也没说量子纠缠使很多计算任务可以并行开展。（高强度的量子位纠缠并非必不可少。）某些情况下，这些说法有一定的真实性，但都没有抓住量子计算的实质。

IBM存放50量子位系统的低温箱内部

很难说清楚量子计算究竟为何如此强大，因为很难具体说明量子力学到底意味着什么。量子理论中的公式无疑证明量子计算是可行的：至少对因数分解、数据库搜索等某些类型的计算而言，计算速度可以获得大幅提升。但究竟是怎么做到的？

在描述量子计算时，最保险的说法也许是：量子力学为量子计算机提供了一种传统计算机所没有的“资源”。正如加拿大圆周理论物理研究所的量子理论学家丹尼尔·戈茨曼（Daniel Gottesman）所说，“如果你有足够的量子力学来支撑，那么在某种意义上，你就能加快计算速度。如果你没有，就不能加快速度。”

但有些事情是明确的。要进行量子计算，就必须使所有的量子位相干。而这非常难。量子相干系统与周围环境的相互影响创造出一个个通道，通过这些通道，相干性会迅速“泄露”，这个过程被称为“退相干”。想要打造量子计算机，研究人员必须避免退相干，现在，他们只能在零点几秒内做到这一点。

随着量子位数量的增加（因而与环境相互影响的可能性也随之加大），避免退相干变得愈加困难。从很大程度上来说，这就是量子计算机从概念提出到真正诞生，会耗时如此之久的原因。

1982年，理查德·费曼（Richard Feynman）首次提出量子计算概念，相关理论在90年代初形成体系，但直到现在，才研制出可运行的量子计算机，能真正进行有意义的计算。

出错率

量子计算实现起来如此困难，还有第二个重要原因。与自然界的其他所有过程一样，量子计算存在噪声。量子位热量或者量子力学基本过程产生的随机波动，偶尔会反转或打乱量子位的状态，从而导致计算出错。对传统计算来说，这也是个问题，但不难解决，只需保留每个比特的两个或多个备份，从而使那些被随机反转的比特显得格格不入。

量子计算机研究人员已经想出了处理噪声的对策，但这些对策会大大增加计算负担——你所有的计算能力将被用来纠正错误，而不是运行算法。

“当前的出错率严重限制了可执行计算的长度。”马里兰大学量子信息与计算机科学中心联合主任安德鲁·柴尔德（Andrew Childs）说，“如果想做点有意思的计算，我们必须找到更好的解决办法。”

马里兰大学量子理论学家安德鲁·柴尔德说，出错率是量子计算机的一个重要问题

对量子计算基本问题的很多研究都集中在纠错上。它之所以如此困难，原因之一在于量子系统的另一个重要特性：只要一测量量子位的值，叠加态便无法维持。你一测量，叠加态就会塌缩成一个确定的值：1或者0。

那么，在不清楚量子位状态的情况下，如何才能知道这个量子位是否出错？

一个聪明的办法是间接观察，把这个量子位与另一个不参与计算的“辅助”量子位配对。这样，我们就能在主量子位状态不塌缩的情况下，观测“辅助”量子位。但这做起来很复杂。这样的解决办法意味着，为了创造真正的“逻辑量子位”来纠错，你需要很多物理量子位。

需要多少？哈佛大学量子理论学家阿兰·阿斯普鲁-古兹克（Alán Aspuru-Guzik）估计，需要大约1万个物理量子位，才能创造出一个逻辑比特位。这完全是不现实的。

他说，如果量子位的质量大幅提高，这个数字可以减少至几千甚至几百个。艾塞特则要乐观一些，他说800个物理量子位也许就够了。即便如此，他也认为这会产生很重的计算负担，眼下，我们需要想办法来处理容易出错的量子位。

另一个纠错方法是避免错误或者消除错误的影响，这就是“错误抑制”。例如，IBM的研究人员正在想办法弄清楚在一次计算中可能产生多少错误，然后推断计算结果的“零噪声”限制。

一些研究人员认为，纠错这个问题将难以解决，它会妨碍量子计算机达到人类对它们的崇高期望。

“编写量子纠错代码比实现量子霸权更加困难。”以色列希伯来大学的数学家吉尔·卡拉伊（Gil Kalai）说，“从计算角度而言，没有纠错功能的设备是非常落后的，落后就谈不上霸权。”换言之，如果存在错误，就不可能比传统计算机更好。

其他人则相信，这个问题最终将得以解决。IBM下属Thomas J. Watson研究中心的量子信息科学家杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）说，“我们最近在IBM开展的实验已经论证了在小型设备上进行量子纠错的基本要素，这为大型设备的量子位在噪声存在的情况下长期、可靠地存储量子信息铺平了道路。”尽管如此，他也承认，“那种必须使用逻辑量子位、具有容错功能的通用型量子计算机，距离我们还很遥远”。得知IBM的上述进展后，柴尔德表达了谨慎乐观的态度。“我相信，在纠错问题上的实验论证将得到改进，但我认为，要用于真正的计算，还需要相当长的时间。”他说。

与错误共处

目前的量子计算机容易出错，这已是不争的事实，问题是如何与错误共处。IBM研究人员把“近似的量子计算”作为短期内努力的方向：找到容纳噪声的方法。

这需要容错算法——在错误存在的情况下，依然能得到正确结果。这有点像是，在少数选票计票错误的情况下，仍能统计出选举结果。“即使没有做到完全容错，规模够大、保真度够高的量子计算（相对于传统计算来说）也应该具有某种优势。”甘贝塔说。

最直观的容错应用之一是模拟原子级的东西，这似乎对科学家比对大众更有价值。实际上，这就是费曼当初提出量子计算概念的初衷。量子力学公式指明了计算分子属性（比如稳定性和化学反应性）的方法，但这些公式必须经过大量简化，才能用传统计算机求解。

相比之下，柴尔德说，电子和原子的量子行为“更贴近量子计算机的本质行为”。所以我们可以针对分子，建立精确的计算机模型。“这个圈子里的很多人，包括我在内，都认为量子化学和材料科学将是最先应用此类设备的领域之一。”古兹克说。他一直以来都在带头推动量子计算朝这个方向发展。

即便是在目前非常小的量子计算机上，量子模拟也证明了自己的价值。包括古兹克在内的一群研究人员开发了一种算法，他们称之为“可变量子本征求解”（Variational Quantum Eigensolver，简称VQE）。这种算法能有效找出分子的最低能态，哪怕存在噪声量子位。到目前为止，该算法只能处理电子数量很少的小分子，而且传统计算机已经能准确模拟。但量子计算机的能力正变得越来越强大。去年9月，甘贝塔和同事利用IBM的6量子位计算机来计算分子的电子结构，包括氢化锂和氢化铍。瑞士联邦理工学院的物理化学家马库斯·莱赫（Markus Reiher）说，这是“迈向量子政权的一大步”。甘贝塔称，“近期有可能出现一批启发式算法，而VQE在小分子模拟方面的应用就是一个很好的例子。”

尽管如此，古兹克坦言，量子计算机要真正超越传统计算机，可能还需要具有纠错功能的逻辑量子位才行。“如果哪一天量子计算真的能纠错了，我会非常兴奋。”他说。

“如果有200多个逻辑量子位，我们就可以超越标准方法的范畴，在量子化学方面做点事情。”莱赫说，“如果有5000个逻辑量子位，那么量子计算机将彻底改变这个领域。”

你的量子体积是多少？

尽管这些目标实现起来并不容易，但量子计算机从5个量子位增加到50个量子位，只用了一年多时间，这样的快速发展使人们燃起了希望。然而，我们不应该对这些数字沾沾自喜，因为它们只是成功的因素之一。重要的不仅仅在于量子位的数量，还在于它们的质量以及算法的效率。

量子计算必须在退相干发生前完成。一般来说，目前量子位组的退相干时间只有百万分之几秒。在那一瞬间可执行的逻辑操作的数量，取决于量子门开关的速度。如果这个速度太慢，有多少个量子位都没用。计算过程中所需要的门操作的数量，被称为深度：低深度算法比高深度算法更可行，但问题是它们能否被用来执行有意义的计算。

而且，并非所有量子位都具有同样的噪声大小。从理论上来说，应该有可能利用某些材料的拓扑电子态，来创造噪声非常低的量子位。在这些材料的拓扑电子态中，用来编码二进制信息的电子态“形状”有助于防止随机噪声。目前，微软公司研究人员正在独特的量子材料中寻找这种拓扑态，但至于能否找到，或者是否可控，还是未知数。

IBM研究人员把一台特定设备的量子计算能力称为“量子体积”，其中包含了所有相关因素：量子位的数量和连接性，算法的深度，以及门质量的其他指标，比如噪声。量子体积描述了量子计算能力的各个特征。甘贝塔表示，目前最好的努力方向，是研制能增加可用量子体积的量子计算硬件。

这也是现在提及量子霸权，尚有些言过其实的原因之一。50量子位计算机胜过最先进传统计算机的景象虽然充满吸引力，但有很多问题悬而未决。在哪方面胜过？如果无法用一种得到了检验的传统设备来检查，你怎么知道量子计算机得出的答案是正确的？如果有适当的算法，你怎么敢肯定，传统计算机不会表现得更好？

所以，量子霸权是一个需要小心处理的概念。现在，一些研究人员更喜欢说“量子优势”（指量子设备更快的运算速度），而不是在量子计算机与传统计算机孰优孰劣的问题上下定论。由于其带有的种族和政治寓意，“霸权”这个词也招致了人们的反感。

不管你怎么称呼它，证明量子计算机能做到目前传统计算机做不到的事情，这对该领域具有重大的心理意义。“能清楚地证明量子优势，这将成为一个重要的里程碑。”艾塞特说。这将证明，量子计算机真的能拓展技术上的可能性。

这也许更像是具有象征意义的举动，而不是计算资源的转变。但这样的事情或许很重要，因为量子计算若要取得成功，靠的不是IBM和谷歌等公司突然开始销售强大的新机器，而是要靠研发者与用户之间互相交流、甚至是有点混乱的合作。只有当用户相信量子计算机值得去做，他们才会去打磨自己的技能。这就是IBM和谷歌为什么一准备好他们的量子设备就急于向外界开放的原因。除了向所有在线注册用户提供16量子位的IBM Q Experience以外，IBM目前还向企业客户提供20量子位的版本，包括摩根大通、戴姆勒、本田、三星和牛津大学等。这不仅有助于客户发现量子计算对他们的价值，还能创造出一个精通量子学的程序员群体，他们将设计资源、解决问题，弥补企业留下的空缺。

“量子计算想要获得发展并开花结果，我们必须让全世界能够去使用和了解它。”甘贝塔说，“对科学界和产业界而言，目前的重点是把量子技术准备好。”

翻译：于波

校对：其奇

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