還記得“量子計算機”嗎? 微軟和穀歌要宣布重大突破了

摘要：如果量子計算機能夠 1) 解出無法被傳統計算機破解的人工難題或 2) 有效操縱50個左右量子比特，即實現了相對傳統計算機的“量子霸權”。據外媒，穀歌和微軟將於近期宣布在量子計算領域的重大突破。

與AI（Artificial Intelligence，人工智能）、5G、無人機以及AR（Augmented Reality, 增強現實）的公眾熱度相比，從理論提出發展到現在已逾35年的量子計算 (quantum computing) 領域顯得頗為冷清。

但與公眾的一知半解相比，學術界與科技巨頭卻在緊鑼密鼓地推進量子計算的相關研究，並且距離“臨界點”越來越近。據英國金融時報，微軟和穀歌將於近期宣布在該領域的重大技術突破。

究竟什麼是量子計算？

傳統計算機的基本數據單位是比特，而量子計算機以量子比特 (quantum bits/ qubits) 衡量。當比特隻能實現對二進製數據0或1兩者其一的呈現時，量子比特利用量子物理學上的疊加 (superposition) 現象，可以實現對0和1兩種狀態的“同時”呈現。

在兩個量子比特之間存在的量子糾纏（entanglement）現象，理論上可以實現極多線程的平行計算，甚至跨越空間限製的即時通訊。

量子計算在實際應用上之所以還麵臨目前的瓶頸，是因為量子計算需要克服環境噪聲、比特錯誤和實現可容錯的普適量子糾錯等一係列難題，真正的量子計算機研發挑戰巨大。

追逐“量子霸權” 微軟和穀歌要後來居上

近來，科技巨頭紛紛宣布重要進展。除IBM的50量子比特計算機原型，英特爾也在本月宣布研製49量子比特的測試芯片。但這些企業沒有發布詳細性能報告，用詞離不了“原型”和“測試”，更沒有宣稱已經實現“量子霸權” 。

有觀點認為，如果量子計算機能夠 1) 解出無法被傳統計算機破解的人工難題或 2) 有效（即在疊加、糾纏之後仍可容錯的前提下）操縱50個左右量子比特，即實現了相對傳統計算機的“霸權”。這種“量子霸權” (quantum supremacy) 正是各科研機構競相追逐的目標。

穀歌選擇了前者。2017年4月，穀歌公布其實現“量子霸權”的路線圖，聲稱將在2017年終前，利用49量子比特的模擬係統攻克傳統計算機無法解出的難題，並將於近期披露相關論文。金融時報援引南加州大學教授、量子計算領域專家Daniel Lidar稱，若穀歌能夠成功實現這一壯舉，意味著“計算領域出現新的‘第一次’，量子計算機將跨過一道重要門檻”。

而微軟則選擇了後者，並將其研發重點放在了“有效操縱”上。金融時報援引微軟量子團隊主管Todd Holmdahl稱，微軟“已經非常接近”宣布其第一個有效量子比特。雖然在規模上遠落後於其他業界競爭對手——IBM早在1998年就宣布其完成了第一個量子比特原型——但微軟試圖在“質量”上超越對手。

微軟的量子比特設計試圖攻克該領域最大的障礙之一——普適量子糾錯（error-correction）。量子比特從性質上來說就極不穩定，其量子態隻能維持極短的時間，而要經過大量對環境噪聲和比特錯誤的後期處理才能解讀出非常有限的計算結果。

微軟另辟蹊徑，希望通過將呈現量子態的電子“打碎”，實現在多處同時存儲同一信息的能力。即便量子比特的一部分失真，其所包含的信息並不會因此喪失，使得整個係統的穩定性大大提高。微軟將這種內含糾錯特性的新型量子比特稱作“拓撲量子比特” (topological qubits)，並相信新機製將令他們大大超越目前的業界水平。Holmdahl稱，

[其他機構采用的不穩定量子比特]內含非常多的錯誤，最後隻能前功盡棄。他們需要上千甚至上萬個量子比特，而我們隻需要這一個，因為我們的糾錯能力遠超過他們。

而完成第一個有效量子比特，也僅是微軟漫漫長路上的第一步。目前的量子計算技術要完全代替傳統計算機產業，滿足商業化的規模生產需求，還為時尚早。