量子计算机来了？

马颖君

美国科幻电影《超验骇客》中描述了这样一个故事：约翰尼·德普饰演的男主人意外身亡后，他的精神意识被上传到了一台量子计算机上，这台计算机成了男主人公的“化身”，并且具有自主思维能力。

但现实生活中，量子计算机不仅技术门槛高、价格昂贵，而且对环境的要求极为苛刻。目前，全球仅有一家量子计算机生产商D-Wave。Google就拥有一台其生产的D-Wave 2X，这也是迄今唯一全球认可的商用量子计算机。去年12月，Google和美国航空航天局（NASA）联合对其测试，让D-Wave 2X首次利用量子演算法解题，其计算速度最终比传统电脑芯片快1亿倍。

而今年5月，IBM则推出了5比特位的量子计算机平台Quantum Experience，使用者可以将计算需求发送到这个位于云端的平台上，随后，该需求会被转发到一台量子处理器上，它被放置于美国纽约州的IBM T.J. Watson研究院中—这意味着，任何人都可以通过云平台间接操作量子计算机里的原子做运算。

“我们需要改变对这个世界的思考方式了。”IBM研究院科学与解决方案部副总裁Dario Gil说。普通计算机的芯片升级已接近极限了，要想进一步提高运算速度—考虑到如今巨大的信息量，这是必需的—量子计算机或许将成为其替代品。

多年以来，英特尔等芯片公司基本以两年一次的频率改进芯片的生产工艺，这与英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）50年前提出的“摩尔定律”一致。然而近几年，因为财力的限制，以及芯片工艺越来越接近半导体的物理极限，追赶“摩尔定律”愈加困难。英特尔此前升级14纳米芯片的生产工艺时就推迟了6个月，最近在10纳米芯片上再次“跳票”。

这是因为当芯片的结构小到某种程度时—现在的工艺已经基本接近，电子的运动已经不再完全遵循经典物理原理，而开始呈现出量子的特征—电流可能不会完全按照电路的既定路线流动，有些电子会穿过原本不可能穿过的绝缘点。

所以，内置硅芯片的电子计算机正面临着越来越难以升级的瓶颈，而量子计算机作为基于量子力学的设备，似乎成为了计算机继续发展的下一个形态。

量子计算机的计算功能很强大。量子计算机公司D-Wave的联合创始人埃里克·勒迪辛斯基（Eric Ladizinsky）曾如此解释它的工作原理：“想像一下，你被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母‘X，这几乎是不可能的，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个‘X。”

这句话说明了传统电子计算机和量子计算机的区别。不同于电子计算机的串行运算方式，量子计算机可以实现并行计算，形象点说，就是勒迪辛斯基所说的，它能“复制出5000万个你，每个‘分身只需翻找一本书即可”。

这是因为普通计算机中的一个储存器只能在特定的时刻用一串0和1的比特储存一个数字。而量子比特能同时储存0和1的叠加态，即普通计算机中，n比特可以储存2n个整数之一，而n个量子比特可以同时储存2n个复数。

以3个量子比特位为例，它能同时储存所有8个二进制数：000，001，010，011，100，101，110和111。量子计算机可以同时运算这8个二进制数，即并行计算，最后得到8个结果，而普通计算机每次只能计算一个数据，得到的也只是一个答案。

强大的计算能力是量子计算机区别于普通计算机的重要特征，不过更重要的是，量子计算机处理的是具有量子叠加态的数据，而且可以用数字系数代表更倾向于某个数据的可能性。最终给出的答案不仅有很多种，这些答案出现的概率也并不一致。

以天气预报为例，在建立这一模型的时候，需要建立并求解包含百万变量的线性方程组，来实现对温度、气压、湿度等的预测。等概率的答案是“明天晴天或下雨”，这样的答案显然是没有任何意义的，我们真正需要的是“明天有70%的概率是雨天”。目前的天气预报技术已基本能满足这样的需求，但如果要求更为精确地模拟，则需要求解具有海量数据的方程组，比如1亿个，再从这个计算量以及从结果中挑选出概率最高的，这只有量子计算机才能做到。

量子计算机可以高效地模拟诸多过程，比如模拟分子间的互动。在新药的研制过程中，化学家需要在实验中对无数种不同分子组合，来找到有效的药物，量子计算机则可以自主计算出可能最有效的组合，缩短药物研发时间，降低研发成本。

量子计算机还可以用在城市管理工具的普及上。比如，整个城市甚至全球所有人的出行计划都可以输入量子计算机中，再加上所有的道路信息。如果有了这些信息后，量子计算机就可以同时处理如此巨大的数据信息，并几乎实时地为每个人计算出最为通畅的定制路线，人类需要自主判断的因素会大大减少，自动驾驶或者无人驾驶汽车的安全性会得到显著提升，它们都会在量子计算机的控制下有序行驶。

不过，量子计算机是通过操纵量子位，即操纵单个原子计算实现的，因此对环境要求非常苛刻。原子在常温下的运动速度高达每秒数百米，并且非常容易受到磁场的影响，所以必须保持在绝对零度和绝对零场强的环境中，才能获取理想的量子计算。

这无疑带来了高昂的造价。Google为D-Wave 2X就花了1000多万美元。亚马逊的创始人杰夫·贝索斯以及加拿大政府也都是D-Wave公司的投资者。

D-Wave 2X的处理器的温度一直稳定在零下273.135摄氏度，只比绝对零度高0.015摄氏度。此外，量子计算机所处的环境，磁场仅能是地球磁场的5万分之一，大气压则需是地球的100亿分之一，这样的环境基本相当于没有磁场且真空。

据Dario GilIBM介绍，Quantum Experience平台实现量子计算的方法是通过将超导量子位封装到格型结构中来检测量子错误这种运算的。相比号称拥有1000个量子位的D-Wave 2X，IBM的Quantum Experience只有5个量子比特位，运算能力很有限。量子计算机中每多一个量子比特位，就至少相当于传统芯片按照摩尔定律升级了一代。

但事实上，就连D-Wave 2X也无法称为真正的通用量子计算机。它所具有的特定的量子结构，仅能用来执行特定的量子计算功能，也就是说，在可见的未来，其他计算都还要由传统的电子计算机来完成。