IBM Q 领跑“量子霸权”,但其背后是无数工程师的梦魇

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IBM Q 领跑“量子霸权”,但其背后是无数工程师的梦魇
麻省理工科技评论 2018年8月6日

2018年8月6日

距离纽约市以北约 80 千米,在一个郁郁葱葱的乡村中,一些精致的管子和电子设备缠绕在小型实验室的天花板上。这堆设备实际上是一台计算机。这台名为 IBM Q 的计算机不是一台普通的计算机,它可能即将成为该领域史上最重要里程碑的计算机。
量子计算
距离纽约市以北约 80 千米,在一个郁郁葱葱的乡村中,一些精致的管子和电子设备缠绕在小型实验室的天花板上。这堆设备实际上是一台计算机。这台名为 IBM Q 的计算机不是一台普通的计算机,它可能即将成为该领域史上最重要里程碑的计算机。

五花八门的量子计算机如雨后春笋般出现,那么它们可以用来做什么呢?

距离纽约市以北约 80 千米,在一个郁郁葱葱的乡村中,一些精致的管子和电子设备缠绕在小型实验室的天花板上。这堆设备实际上是一台计算机。这台名为 IBM Q 的计算机不是一台普通的计算机,它可能即将成为该领域史上最重要里程碑的计算机。

量子计算机有着远远超出任何经典超级计算机性能的前景。它们可以通过在原子尺度上模拟物质的行为来发现新材料,还有着破解一些现阶段不可破解的代码的潜力——这将强烈地威胁现代密码学和信息安全,甚至有希望通过更有效地处理数据来增强人工智能。

然而,经过了几十年平缓的发展,直到最近研究人员才终于构建出了一台量子计算机。这是一个被称为“量子霸权”的里程碑。谷歌是这个里程碑的领导者,而英特尔和微软也有着很重要的贡献。紧接着,一些资金雄厚的量子计算创业公司也出现了,其中包括 Rigetti Computing,IonQ 和 Quantum Circuits。

但是,在这个领域还没有哪个竞争者能与 IBM 相提并论。从 50 年前开始,该公司在材料科学方面取得的成就奠定了现代计算机的基础。这也是为什么去年 10 月,IBM Thomas J. Watson 研究中心尝试回答这些问题:量子计算机会对哪些问题有好处?我们真的可以创造出一个实用可靠的量子计算机吗?



为什么我们需要一台量子计算机


Thomas J. Watson 研究中心位于 Yorktown Heights,于 1961 年建成,看起来有点像想象中的飞碟。它由新未来主义建筑师 Eero Saarinen 设计,并在 IBM 全盛期成为大型商用主机的制造基地。IBM 那时是世界上最大的电脑公司,而且在这个研究中心建成的十年内,它是世界第五大公司,仅次于福特和通用电气。

虽然从建筑内的走廊可以看到外面的乡村,但所有办公室里面都被设计成无窗的。Charles Bennett 就在其中一间与世隔绝的屋子里。他已经是一位七十多岁的老人,留着大片白色连鬓胡子,穿着黑色袜子和凉鞋,还戴着带有笔的口袋保护器。坐在旧电脑显示器,化学模型以及奇怪的小迪斯科球中间,他回想起量子计算的出现的事,就像发生在昨天一样。

IBM Q 领跑“量子霸权”,但其背后是无数工程师的梦魇

1972 年,当 Bennett 加入 IBM 时,量子物理学已经出现了半个世纪,但计算仍然依赖于经典物理学和信息数学理论(由 Claude Shannon 在 20 世纪 50 年代在麻省理工学院建立)。Shannon 根据存储信息所需的“比特”(这是一个由他普及但不是他创造的术语)的数量来定义信息的数量。这些比特,也就是二进制代码的 0 和 1,是所有经典计算的基础。

在抵达 Yorktown Heights 一年后,Bennett 建立了量子信息理论的基础,这将挑战信息论的一切,这个理论依据的是在原子尺度上物质的特殊行为。在这个尺度下,粒子可以同时处在许多状态(例如,许多不同的位置)的“叠加”。两个粒子也可以表现出“纠缠”的性质,也就是改变其中一个的状态可能会瞬间影响到另一个的状态。

Bennett 和同事们意识到,在量子现象的帮助下,人们可以有效地执行几种指数型耗时甚至不可能的计算任务。量子计算机会将信息存储在量子比特,或者叫 qubit 中。qubit 可以以 1 和 0 的叠加的形式存在,并且用纠缠和干涉效应来找到在指数量级状态下的计算解决方案。虽然恼人的是很难类比量子计算机和经典计算机,但大体上讲,只有几百个量子比特的量子计算机能够同时执行数量上比已知宇宙中的原子更多的计算任务。

1981 年夏天,在距离麻省理工学院校园不远的法国风格大厦 Endicott House,IBM 和麻省理工学院组织了一次名为“计算物理第一次会议”的里程碑式活动。

当时,在草坪上坐着许多计算和量子物理史上最有影响力的人物,其中包括开发第一台可编程计算机的 Konrad Zuse 和量子理论重要贡献者 Richard Feynman。Feynman 在会议上作了主题演讲,他提出使用量子效应进行计算的想法。“量子信息理论最大的助推来自 Feynman,”Bennett 告诉我,“他说,'自然是量子的!所以如果我们想模拟自然界,我们需要一台量子计算机。'”

现存最有潜力的量子计算机之一,IBM 的量子计算机位于 Bennett 办公室的大厅正下方。该机器被设计用于创建和操纵量子计算机中的基本元素:存储信息的量子比特。



理想与现实的距离


IBM 的机器利用超导材料中的量子现象。比如说,超导体中的电流将同时顺时针和逆时针流动的现象。IBM 的计算机由超导电路组成,其中两个不同的电磁能量状态组成量子比特。

这种超导实现方案具有很多关键优势。它的硬件可以使用现有成熟的工艺方法来制备,并且可以使用传统的计算机作为控制系统。超导电路中的量子比特也比单个光子或离子更容易操控,并且对噪声不太敏感。

在 IBM 的量子实验室内部,工程师们正在研究一个具有 50 个量子比特的计算机。现在人们可以在一台普通的计算机上运行一个简单量子计算机的模拟,但是对于大约 50 个量子比特的量子计算机就几乎不可能了。

这意味着 IBM 理论上正在接近量子计算机可以解决而传统计算机无法解决的问题:换句话说,量子霸权。

但正如 IBM 的研究人员所说,量子霸权是一个难以捉摸的概念。你需要全部 50 个量子比特才能完美工作,而实际上量子计算机却被纠错问题所困扰。在任何时间尺度内维持量子比特也非常困难; 他们倾向于“退相干”,也就是说失去其微妙的量子性质,就如烟圈在最轻微的气流中分解一样。而量子比特越多,这两个问题的解决就变得越困难。

“如果你有 50 或 100 个量子比特,并且他们确实工作得很好,有完全纠错能力,你就可以做一些“不可能的计算”,这些计算现在或以前都不能在任何经典计算机上复制,”耶鲁大学教授,Quantum Circuits 公司的创始人 Robert Schoelkopf 说,“量子计算的另一面是它存在着指数级的出错概率。”

另一个值得注意的原因是,即使是具有完美功能的量子计算机,其实用性可能也并不明显。它不会简单地加快你给它的任何任务; 事实上,对于许多计算来说,它比传统机器要慢。迄今为止,只有少数算法在量子计算机显然具有优势的情况下被设计出来。即使对于那些算法,这些优势也可能是短命的。最著名的量子算法是寻找整数的质因子,由麻省理工学院的 Peter Shor 开发。许多常见的密码方案都依赖于这个事实,即传统计算机难以实现大整数分解。但是密码学也可以做出改变,创造出不依赖分解的新型密码。

这就是为什么,即使接近 50 个量子比特的里程碑,IBM 的研究人员也热衷于消除围绕它的炒作。Jay Gambetta 是一位身材高大、性格随和的澳大利亚人,他研究量子算法和 IBM 硬件的潜在应用。“我们处在这个独特的阶段,”他说,“我们有比在传统计算机上可模拟的复杂得多的设备,但它还不能精确地控制到可以运行任何你熟悉的算法的程度。”

但让 IBM 员工欣慰的是,即使是不完美的量子计算机也可能是有用的。

Gambetta 和其他研究人员已经注意到 Feynman 在 1981 年所做出设想的一个应用。化学反应和材料性质取决于原子和分子之间的相互作用,并且这些相互作用受量子现象的支配。量子计算机至少在理论上可以建立那些用常规方法无法模拟的化学材料模型。

去年,Gambetta 和他的同事们在 IBM 使用了一个 7 个量子比特的机器来模拟氢化铍的精确结构。虽然只包含三个原子,但氢化铍是用量子体系所能模拟的最复杂的分子。最终,研究人员可能会使用量子计算机来设计更高效的太阳能电池,更有效的药物或是能将阳光转化为清洁燃料的催化剂。

这些目标还有很长的路要走。但是,Gambetta 表示,或许可以从一台与经典计算机相当的容易出错的量子机器中获得有价值的结果。



科学家的梦想,工程师的梦魇


“那些使大家认识到量子计算的噱头实际上是真实的,”麻省理工学院一位说话温和的教授 Isaac Chuang 说。“但现在,它不再是物理学家的理想,而是工程师的梦魇。”

在九十年代后期和二十一世纪初,Chuang 在位于加州阿尔马登的 IBM 部门领导了一些最早的量子计算机的研究。虽然已经不再做这类研究工作,但他认为我们正处于一个非常重要的起点阶段——量子计算最终将在人工智能中发挥作用。

但他也怀疑,除非新一代的学生和黑客开始使用真实的量子计算机,否则革命不会真正开始。量子计算机不仅需要不同的编程语言,而且需要本质上不同的思维方式来编程。正如 Gambetta 所说:“我们并不知道量子计算机上的‘Hello,world’是什么样子。”

但他们正在开始找出这种对应。2016 年,IBM 将一台小型量子计算机连接到云端。使用名为 QISkit 的编程工具包,你可以在其上运行简单的程序; 成千上万的人,从学术研究人员到小学生,已经建立了运行基本量子算法的 QISkit 程序。现在谷歌和其他一些公司也在将他们的新量子计算机联网。你不能对它们做很多事情,但至少它们会让前沿实验室以外的人尝试一下未来可能会实现的事情。

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创业群体也越来越兴奋。在多伦多大学的商学院量子创业公司的一场投资比赛上,一些企业家团队严肃地站起来,向一群教授和投资者介绍他们的想法。一家公司希望用量子计算机来模拟金融市场。另一家计划设计新的蛋白质。还有一家想要构建更高级的 AI 系统。但在这个房间里,没有人注意到的是,每个团队都在提出一项以一种还不存在的革命性技术为基础的业务,几乎没有人对这一事实感到恐惧。

如果第一台量子计算机还需要很久才找到实际用途,那么这种热情就会很快消失。那些真正了解困难的人(如 Bennett 和 Chuang)的猜测是,第一批有实用性的机器还需要几年的时间。并且这是在假设管理和操控大量量子比特的问题并不会最终被证明很棘手的前提下。

不过,这些专家们还是抱着很大的希望。当问到现在大约 2 岁大的孩子长大后量子世界会变成什么样时,通过玩微型芯片学会使用电脑的 Chuang 笑着回应:“也许这个孩子将有一个用于建立量子计算机的工具包。”

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