是时候向量子计算泼一盆冷水了!

云视角

2018-09-21

科技云报道原创。
尽管量子计算是当前最重要的科技问题之一,但真正实用的量子计算机还比较遥远。量子计算面临的不只是工程挑战,还有许多基本的科学问题,很有可能属于“世纪难题”。

伴随着大众对量子计算的万分期待,流言也在飞速产生:量子计算机一旦做成,将直接秒杀经典计算机。 

然而,量子计算机并不是一种更快的计算机。它在逻辑、输出方式等方面与经典计算机根本不同,其中最本质的就是量子纠缠的存在。 

在量子信息学的观点中,量子纠缠是与物质、能量、信息并列的一种自然资源,利用好这种资源能使量子计算机发挥出巨大威力。 

量子计算机就是一台自带量子纠缠的机器,凡是涉及大量微观粒子的研究,例如凝聚态物理、量子化学、分子生物学都将发生很深刻的变革;相应的应用学科,例如材料合成、药物研发等,也都会有很本质的改变。 

从长远来说,它将给现有的计算理论带来深刻变革,将极大加深人类对物质与信息的理解,它将是一种前所未有的计算微观世界的强大工具。 

但是,如何用它设计更快的算法,在理论上就是很大的挑战。

越爬越抖的天梯: 量子计算机尚处初级阶段

那么,量子计算到底难在哪?进展到哪一步了? 

这是2013年Michel Devoret和Robert Schoelkopf发表在Science上的“量子计算台阶图”。下一层实验是上一层实验的基础,但这并不是一个直线升级过程——为了上一个新台阶,在它之下的所有台阶都必须不断优化。所以,站的越高,工作量就越大,量子计算机越往后做越难。

 

图上的前三层大致对应量子力学的三大诡异属性——叠加、纠缠、测量。到目前,主要的量子计算实验系统都已经站上了前两层,但不是每种系统都站上了第三层。迄今为止,没有一种系统完成了第四层(量子纠错)。 

没有量子纠错的“量子计算机”,就只能在相干时间内做一些最简单的运算。Google、IBM等公司近两年一直在比拼芯片上“量子比特”的数量,但它们都只是寿命几十微秒的物理量子比特,逻辑量子比特的数量都是零。 

量子纠错是人们研究量子计算机迄今为止遇到的最难的问题,它的实现将是当代量子科技的第三个里程碑——人类从此有方法保护在自然界中转瞬即退相干的量子态,就好比从原始人从采集到种植、从狩猎到畜牧。在工程上,它将为大型通用量子计算机提供基本逻辑单元。

当下量子计算最大的挑战就是实现逻辑量子比特,而不是在一块芯片上集成多少物理量子比特。

 虽然量子计算在近二十年有了坚实的实验进展,但它在短期内还将是一种基础研究,没有立即可操作的实际应用。 

量子计算就像一条越爬越陡的天梯,我们现在还只处于很初步的阶段。大型、通用、容错量子计算机什么时候做出来?任何明确答案都是不负责任的,因为它太难做、未知挑战太多、现在我们根本没法给出负责任的估计。 

商业炒作无益于破解“世纪难题”

然而近几年,量子计算正在成为商业热潮的焦点。 

量子计算真正的商业热潮从2014年开始,Google 全员买下了John Martinis 在圣芭芭拉加州大学的实验室,成为“Google 量子人工智能实验室”的一部分,并立刻给这群低调的科学家配上了强大的宣传团队。各家 IT 巨头纷纷坐不住了,各种专营量子计算的创业公司也开始出现。 

目前,各种参与量子计算的商业公司主要分四类: 

第一类是 IT 或工业巨头,其中IBM和微软上场远 Google早。IBM 十多年前就在Waston研究中心建立了颇具规模的超导量子计算实验室和理论组。IBM的量子实验室曾经专注于扎实的基础研究,领取政府经费,与大学实验室无异,直到几年前才开启商业竞争模式。 

微软很早就在圣芭芭拉加州大学内建立了Station Q,专注于“拓扑量子计算”理论,也曾是完全的学术导向。这两年微软在荷兰Delft理工学院、丹麦哥本哈根大学、澳大利亚悉尼大学、美国马里兰大学、普渡大学、Redmond总部都新建了Station Q;最重要的是,把这一领域最有影响力的两位实验物理学家Leo Kouwenhoven和Charles Marcus收入麾下。 

Intel 自2015年起也不甘落后,并且兵分两路,在Delft理工学院与Leonardo DiCarlo实验室合作发展超导量子电路,同时与Lieven Vandersypen实验室合作发展硅量子点。 

第二类是大学教授兼职创办的新公司,支持与转化自己学术实验室的成果。 

2015年底,耶鲁超导量子计算实验室的领导者——Robert Schoelkopf和Michel Devoret与研究员Luigi Frunzio创办Quantum Circuits, Inc.,2017年11月完成A轮1800万美元融资。 

2016年,马里兰大学实验物理学家Christopher Monroe与杜克大学电子学家Jungsang Kim创办主攻离子阱的IonQ, Inc.,2017年7月完成B轮2000万美元融资。 

2018年初,因斯布鲁克大学实验物理学家Rainer Blatt、Thomas Monz与理论物理学家Peter Zoller在政府和大学的支持下创办离子阱公司Alpine Quantum Technologies,也已得到1200万美元经费。 

第三类是自主创业、有完整硬件实验室的新公司。其中最有名的是位于加州伯克利的 Rigetti Computing,由耶鲁博士毕业的Chad Rigetti在2013年创办,现在融资已接近7000万美元,员工近百人。 

第四类只做周边软件产品。这样的公司这两年出现了很多。 

这些“量子企业”到底多有希望?第二类(学术实验室 spin-off)企业可能会对当前的量子计算发展产生非常大的帮助。 

量子实验正朝着越来越复杂的方向发展,除了核心的物理原理外还涉及大量的工程细节,其工作量已接近传统大学实验室的极限。这类公司一方面解决实验中的工程问题,另一方面将学术实验室的成果做大做规范,这是一种非常良性的互动。 

第一类和第三类公司都有很强的盈利目的,但都自建或接管强大的实验团队,身体力行做量子计算机,在工作和宣传方式上也都很类似。它们的主要区别在于承受风险的能力不同,巨头企业更能承受长期投入而不见回报的基础研究。 

值得注意的是,量子计算面临的不只是工程挑战,还有许多基本的科学问题,很有可能属于“世纪难题”。它与现实的距离比无人驾驶、电动车、商业航天等要远的多得多,我们千万不能用科技产品研发的思路理解量子计算机的研究。它的真正问世需要长期、稳定的支持,而不是利益驱动的商业炒作。

就像17世纪的人想象不到什么是手机一样,我们现在也根本不知道当人类能自如人造控制量子系统之后能做多么不可思议的事情。量子计算是人类第一次试图在量子水平上构造、控制物质系统,一旦突破将极大地扩展人类工程实践的范围。

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