近日，華爾街日報刊文闡述谷歌的量子計算機可能會如何改變世界。該類超級強大的機器有潛力顛覆從科學(xué)和醫(yī)療到國家安全的一切——假如它能正常運作的話。

以下是文章主要內(nèi)容：

哈穆特·奈文（Hartmut Neven）信奉平行世界。在最近的一個早上，在谷歌的洛杉磯辦公室外面，這位53歲的計算機科學(xué)家在給我講解量子力學(xué)如何支持所謂的多元宇宙理論。奈文指著處在我倆中間的那個磁帶錄音機。他說，我們看到的磁帶錄音機只是該設(shè)備的其中一個“經(jīng)典形態(tài)”。“但在某個我們現(xiàn)在還沒能感知到的地方，它有其它的版本。”據(jù)奈文稱，不僅磁帶錄音機是這樣，所有的物品都是如此。“即便是像你我這樣的系統(tǒng)，”他表示，“在平行世界我們所有人都有不同的形態(tài)。”

奈文領(lǐng)導(dǎo)過谷歌一部分最具開創(chuàng)性的項目，從圖像識別軟件到谷歌眼鏡。現(xiàn)在他面前的那項任務(wù)是他在整個職業(yè)生涯中最錯綜復(fù)雜的一個：基于量子力學(xué)的怪異原理開發(fā)計算機。

量子力學(xué)

量子力學(xué)不好一下子就解釋清楚，但Cliffs Notes版本是這么解釋的：科學(xué)家證明原子能夠同時以兩種狀態(tài)存在，這種現(xiàn)象叫做疊加。例如，單個原子能夠同時存在于兩個位置。

規(guī)模擴大的話，疊加甚至?xí)兊酶庸之悺Ｓ捎谑篱g萬物都是由原子組成，有的物理學(xué)家作理論推定完全的物體存在于多個維度，讓平行世界成為了可能。

連阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）都搞不清楚量子力學(xué)。該諾貝爾物理學(xué)獎得主聲稱量子力學(xué)背后的思考存在根本性的缺陷。后來，科學(xué)家們一再地確切證明了該理論。

在谷歌位于加州圣巴巴拉的實驗室里，該公司的量子芯片被凍結(jié)在懸在空中的低溫恒溫器里

這些原理是下一代計算革命的關(guān)鍵所在。在加州圣巴巴拉市的一個小型實驗室里，奈文以及20多位谷歌物理學(xué)家和工程師在利用量子力學(xué)來打造運算潛力令人膛目結(jié)舌的計算機。可靠的規(guī)模化量子計算機有望改變從AI到化學(xué)的各行各業(yè)，加速機器學(xué)習(xí)的發(fā)展，帶來新型的材料、化學(xué)物和藥物。

“可正常運作的話，量子計算機將會改變整個世界，改變事物的運作方式。”硅谷知名風(fēng)投Andreessen Horowitz合伙人、物理學(xué)家維賈伊·潘德（Vijay Pande）說道。該風(fēng)投公司投資了量子計算初創(chuàng)公司Rigetti Computing。

其他的人則持不大一樣的看法，尤其是學(xué)者。

“量子計算機不僅僅是我們所熟悉的那種計算機的更快速版本。它是一種全新的利用自然進行運算的方式。”德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）指出，“人們會問，‘它要快上一千倍嗎？還是要快上百萬倍？’這完全取決于應(yīng)用。它有可能會在短短一分鐘內(nèi)解決我們通過經(jīng)典計算機無數(shù)年都無法解決的問題。而在其它的測試中，量子計算機則可能只能給你帶來不大的幫助，有時候甚至完全幫不上忙。”

量子計算機什么時候到來

近30年來，這些機器一直都被認為是只有科幻片才有的東西。幾年前，科學(xué)界普遍認為可靠的規(guī)模化量子計算機至少20年后會到來，但也有可能永遠都不會到來。

“現(xiàn)在不再有人說量子計算機永遠都不會到來了。”加拿大針對量子計算的安全加密解決方案提供商Isara?的CEO斯科特·托茨克（Scott Totzke）說，“我們處在非常非常初期的發(fā)展階段，但我們早就越過了科幻階段。”

全球各地的企業(yè)和高校都在競相開發(fā)這些機器，Alphabet旗下子公司谷歌似乎處在領(lǐng)先位置。明年年初，谷歌的量子計算機將會面臨一次嚴(yán)峻的考驗：解決一個晦澀難解的、經(jīng)典計算機要花數(shù)十億年才能完成的運算問題。如取得成功，那標(biāo)志著“量子霸權(quán)”（對于某些問題,?量子算法的效率遠遠優(yōu)于經(jīng)典算法），標(biāo)志著達到量子計算機完成某種以前不可能完成的事情的臨界點。在計算機科學(xué)家們的口中，它將標(biāo)志著一個新的計算時代，標(biāo)志著所謂的經(jīng)典時代的結(jié)束。

谷歌64平方毫米的芯片目前是全球最先進的通用量子計算機

經(jīng)典計算機，比如你的筆記本電腦或者手機，用比特（bit，信息量單位）來存儲和處理信息。比特的值要么是1，要么是0。比特由被稱作晶體管的微型電路表示。對于你的iPhone來說，每一次觸控，每一次自拍，都只不過是由“1”和“0”組成的一個長序列。

量子比特（qubit）利用疊加同時以兩種狀態(tài)存在——實際是就是同時以1和0存在。在經(jīng)典計算機中，比特就像是要么顯示正面要么顯示背面的硬幣。而量子比特則像是被拋在空中的、不斷旋轉(zhuǎn)的硬幣，同時顯示正反面。

那種動態(tài)性讓量子比特能夠比比特編碼和處理多得多的信息，以至于計算機科學(xué)家稱時下性能最強大的筆記本電腦相比量子計算機就像是算盤。理論上，一個占據(jù)數(shù)個城市街區(qū)的數(shù)據(jù)中心的計算能力，一個句點般大小的量子芯片就能實現(xiàn)。

那種潛力是指數(shù)式增長的結(jié)果。增加一個比特，對于經(jīng)典芯片的計算能力的提升微不足道，但增加一個量子比特，則可讓量子芯片的計算能力翻一倍。300個比特的經(jīng)典芯片大概可以驅(qū)動一部基本的計算器，但300個比特的芯片的計算能力則達到驚人的novemvigintillion——2后加90個0的數(shù)——一個超過宇宙原子總數(shù)量的數(shù)字。

經(jīng)典計算機是二進制的，采用比特這一信息量單位，只能用“1”或者“0”來記錄所有的信息狀態(tài)。而量子計算機使用量子比特，這種單位能夠同時是“1”和“0”。這讓量子比特在特定任務(wù)中能夠處理比比特多得多的信息——尤其是在結(jié)合的時候。每增加一個量子比特，量子計算機的運算能力就能翻一番，這種指數(shù)式增長可催生強大得多的規(guī)模化機器。

但這種對比僅適用于特定的運算任務(wù)。拿比特和量子比特比較不是易事，因為量子計算機和經(jīng)典計算機是全然不同的兩種機器。不同于經(jīng)典計算機，量子計算機不會對一個問題的所有潛在解決方案進行檢驗。相反，它們利用算法來剔除導(dǎo)向錯誤答案的路徑，僅留下導(dǎo)向正確答案的路徑——那些算法僅適用于特定的問題。這使得量子計算機不適用于諸如網(wǎng)上沖浪的日常任務(wù)，因此別指望會出現(xiàn)量子iPhone。但它們能夠做的是，解決特定復(fù)雜到難以想象的問題，如模擬新分子來設(shè)計更加輕盈的飛機部件、更加有效的藥物和更好的電池。

量子計算機也存在錯誤率高的問題，因此部分科學(xué)家和數(shù)學(xué)家質(zhì)疑它們的可行性。谷歌和其它的公司稱該問題可通過糾正錯誤的算法來解決，但那些算法需要更多的量子比特來檢查進行運算的量子比特的工作。有的專家估計，檢查單個量子比特的工作將需要額外增加100個量子比特。

量子計算機的由來

覺得一頭霧水吧？不只你一個是這樣。微軟聯(lián)合創(chuàng)始人比爾·蓋茨（Bill Gates）最近接受華爾街日報雜志采訪時稱，他搞不明白公司的量子計算項目相關(guān)的幻燈片。

曾獲得諾貝爾獎的理論物理學(xué)家理查德·費曼（Richard Feynman）如是說，“我想，可以說沒有人能夠理解量子力學(xué)。”

費曼是最早提出量子計算機概念的人之一。1981年，他在一次演講時說，模擬物理將需要基于自然或者量子力學(xué)的計算機。“可惜自然并不尋常，”他說道，“如果想要模擬自然，那你最好利用量子力學(xué)。”

在之后的20年里，研究人員嘗試打造費曼所設(shè)想的那種機器，但沒有取得成功。量子比特被證明非常脆弱，變幻無常。它們只能夠維持幾納秒（相當(dāng)于十億分之一秒）的疊加狀態(tài)（給它們帶來大規(guī)模運算能力的那種狀態(tài)）。近乎感覺不到的細微溫度變化，甚至空氣的單個分子，都有可能讓它們脫離那種狀態(tài)。

“這有點像是試圖讓雞蛋在針尖上保持平衡，”IBM量子計算科學(xué)家Jerry Chow在演講中說道，“你肯定能夠做到，但一旦噪聲、熱量或者震動帶來哪怕一丁點的干擾，你也會一下子對它失去控制。”

在過去的5年間，科學(xué)家們在那種平衡做法上取得了巨大的進步。資本隨之大量涌入，谷歌、微軟、IBM、英特爾等大型科技公司都在展開相關(guān)的項目，來自潛在客戶的興趣也應(yīng)聲增加。

大眾汽車公司正在測試加拿大公司D-Wave Systems打造的量子計算機。3月，雙方稱，利用來自北京的1萬輛出租車的GPS數(shù)據(jù)，他們做出了一種算法來計算前往機場最快捷且交通最順暢的路線。D-Wave表示，經(jīng)典計算機需要45分鐘完成那項任務(wù)，但它的量子計算機一瞬間就能完成。

聽上去D-Wave似乎已經(jīng)贏得了這場競爭，但該公司造價1500萬美元的2000Q模型僅適用于范圍有限的數(shù)據(jù)分析，其中包括大眾汽車的測試。雖然該2000Q模型有2000個量子比特——科學(xué)家們警告稱，該數(shù)字不應(yīng)被拿來跟谷歌等公司的通用型量子計算機進行比較——該機器還沒有實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。D-Wave總裁博·埃瓦爾德（Bo Ewald）稱，2000Q并不是尋求獲得最好的答案，而是尋求“在很短的時間內(nèi)獲得足夠好的答案。”

嚴(yán)陣以待

并不是所有人都熱切盼望精確的規(guī)模化量子計算機的到來。從信用卡交易到手機短信發(fā)送的一切都是利用一種依賴于因子分解或者反向倍增法的算法來進行加密。龐大的數(shù)字——數(shù)百位數(shù)——充當(dāng)加密數(shù)據(jù)的一把鎖，而該數(shù)字的兩個質(zhì)因子就是鑰匙。這種所謂的公鑰密碼系統(tǒng)被用來保護健康檔案、在線交易和大量其它的敏感數(shù)據(jù)，因為經(jīng)典計算機要數(shù)年時間才能找到那兩個質(zhì)因子。而量子計算機理論上可一轉(zhuǎn)眼的功夫就找到。

企業(yè)和政府都在加緊為有的人所說的Y2Q作準(zhǔn)備。Y2Q是指精確的規(guī)模化量子計算機的到來之年，有的專家估計該類機器大概會在2026年到來。當(dāng)這一切發(fā)生的時候，我們本來嚴(yán)加看守的數(shù)字秘密可能會變得不堪一擊。

去年，美國國家安全局（NSA）發(fā)布命令，要求美國國家安全職員和供應(yīng)商必須要在“不遠的將來”開始改造他們的加密系統(tǒng)，以防范量子計算機帶來的威脅。由于國家安全信息必須要被保護數(shù)十年，該機構(gòu)稱新加密系統(tǒng)必須要在這些機器到來之前落實到位。它警告道，否則的話，可破譯密碼的量子計算機會對國家安全構(gòu)成“毀滅性的影響”。

政府不僅僅在打防御戰(zhàn)。據(jù)《華盛頓郵報》報道，前NSA雇員愛德華·斯諾登（Edward Snowden）2013年泄露的文件顯示，作為8000萬美元的研究項目“攻克難關(guān)”（Penetrating Hard Targets）的一部分，NSA正在開發(fā)自有的量子計算機。目前還不清楚NSA取得了多大的進展。該機構(gòu)拒絕發(fā)表評論。

各方角逐量子計算機的主要動力在于，它擁有顛覆各行各業(yè)的潛力。專家認為，該類機器短期的最大希望是，為兩個快速增長的領(lǐng)域機器學(xué)習(xí)和AI以及企業(yè)提供巨大助力。谷歌的奈文表示，預(yù)計十年內(nèi)所有的機器學(xué)習(xí)技術(shù)都將運行于量子計算機。

競爭升溫

這場商業(yè)化競賽今年早些時候顯著升溫。5月，IBM發(fā)布16個量子比特的芯片，這是通用量子計算機的一個里程碑。前一天，一個貿(mào)易集團公布其對谷歌量子硬件負責(zé)人約翰·馬丁尼斯（John Martinis）的采訪內(nèi)容，馬丁尼斯不小心透露谷歌有22個量子比特的芯片。

在顯微鏡下看谷歌64平方毫米的芯片，可以看到它的商標(biāo)：該公司的名字拼寫出現(xiàn)在底部

目前，谷歌的芯片被凍結(jié)在該公司的圣巴巴拉實驗室被稱作低溫恒溫器的精制大桶里面。該實驗室位于洛杉磯，是奈文領(lǐng)帶的量子項目的一個悠閑基地。里面有乒乓球桌和各式各樣的小對鼓，整個空間感覺就像是附近的加州大學(xué)圣巴巴拉分校校園的延伸部分。辦公室負責(zé)人馬丁尼斯是該大學(xué)的物理學(xué)教授，他的很多雇員都是研究生。

在最近的一個下午，兩位最近從加州大學(xué)圣巴巴拉分校獲得博士學(xué)位的悠閑工程師丹尼爾·贊克（Daniel Sank）和阿米特·溫森徹（Amit Vainsencher）帶我去看位于該實驗室一個角落的閃閃發(fā)光的低溫恒溫器。由于微粒受到再輕微的干擾也會脫離疊加狀態(tài)，量子計算機必須要與外部世界完全隔絕開來。該低溫恒溫器的高導(dǎo)磁合金表面可阻隔地球的磁場，它上面貼著一個保險杠貼紙，寫著：“我的另一臺計算機是經(jīng)典計算機。”

取自鄰近布滿銀霜的容器的壓縮氮和液態(tài)氮將低溫恒溫器內(nèi)部冷卻到零下459.6華氏度，該溫度僅比最低的溫度高一點，這給谷歌的量子比特進行運算創(chuàng)造了所需的導(dǎo)電條件。“如果你要搖動這個框架，實際上你可以看到溫度計顯示溫度上升。”溫森徹在搖動該將低溫恒溫器懸在空中來抑制來自震動的感染的架構(gòu)之前表示，“我或許不該那么做。”

該裝置如此錯綜復(fù)雜，而且費用高昂，這意味著谷歌和它的同行很可能將通過云端出售量子計算，可能會按秒計費。

目前，奈文在南加州的團隊在緊鑼密鼓地完成49個量子比特的芯片。他們希望該芯片會將他們帶到量子霸權(quán)以及一個新的技術(shù)領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域里，計算機利用復(fù)雜到無法想象的自然法則，而是將世界轉(zhuǎn)變成“1”和“0”。

“這臺計算機里面沒有晶體管。”奈文說，“它是一個全然不同的野獸。它是多元宇宙里的原住民。”（樂邦）

來源：網(wǎng)易科技