什么是量子计算机？计算容量知多少？

量子计算机需要解决量子噪声的问题，量子噪声会快速破坏计算结果。

（Josef Bsharah，Quanta Magazine）

量子计算机很快就能在一些基础工作上打败经典计算机了。但在它们真正强大之前，研究者还需要攻克多个根本性的障碍。

经历了数十年希望渺茫的艰苦研究，量子计算突然受到了热烈的追捧。大约两年前，IBM制造了一台全球可用的量子计算机，这个有5个量子比特计算资源的平台被称为“IBM Q”。不过它更像是给研究者的玩具，而不是用来完成严肃的数据计算的。但是全球有7万人进行了注册，而且这个平台的量子比特数现在已经翻了两番。在过去的几个月，IBM和英特尔分别宣布它们已经制造出了有50和49个比特的量子计算机，而外界认为Google也有一台等待发布的量子计算机。“这个领域大有可为，最近的发展也是硕果累累。”柏林自由大学（Free University of Berlin）的物理学家Jens Eisert说道。

有人认为“量子霸权”即将成真：到那时，量子计算机可以超越现在最好的经典超级计算机。如果比较两种计算机的比特数，这听上去像是天方夜谭：50个量子比特要如何匹敌你笔记本电脑里数十亿个经典比特？但量子计算的重点在于：一个量子比特的运算能力要远超经典比特。长期以来人们认为，一台经典计算机几乎不能实现的计算任务，50个比特左右的量子计算机就能实现。

从这些事件中你可能会推断，所有的基础问题已经在理论上得到了解决，未来量子计算机将会无处不在，需要处理的只是工程问题。这种想法很诱人，但并不准确。量子计算机的物理基础问题远未得到解决，也难以在制造过程中轻易解决。即使我们很快就要见证“量子霸权”里程碑的到来，接下来的一到两年才会决定量子计算机是否会带来计算革命。前方依旧困难重重，没有谁能保证实现“量子霸权”的远大目标。

在纽约州约克敦海茨IBM沃森研究中心的量子计算中心，他们把量子计算机保存在低温储罐（最右）中，冷却到绝对零度以上零点几度。

（Connie Zhou，IBM）

什么是量子计算机？

量子计算机遇与挑战并存，我们有必要简单了解下其背后依靠的理论物理基础。经典计算机用一串二进制数字（1和0）来编码和操纵信息。量子比特也用同样的方式进行编码，只是它可能处在1和0的叠加态，这意味着如果我们测量这个量子比特，我们可能得到1，也可能得到0，且测到1或0的概率都是确定的。

为了用许多这样的量子比特实现计算，这些量子比特需要处在相互依赖的叠加态——也被称为“量子相干（quantum-coherent）”的状态，在此状态下量子比特会相互纠缠，一个量子比特的变化会影响其他所有量子比特。这也就意味着，对量子比特的计算操作可达到的计算能力将超越经典比特的计算。对经典计算机而言，计算资源按照比特数量成比例增长，而在量子计算机中，增加一个量子比特可以使计算资源翻倍。这也是为什么5个量子比特和50个量子比特的差异如此巨大。

请注意，虽然人们常说，与经典比特相比，由于叠加态的存在大幅提高了量子比特的可编码数量，因此量子计算机更有优势，但我并没有这样说。我也没有说纠缠态的存在允许多个运算同步进行。这些描述不能说是错的，但是都没有抓住量子计算的核心。

IBM的低温恒温器内部，它连接了一个50比特量子系统的。

（Connie Zhou ，IBM）

我们很难解释为什么量子计算如此强大，因为我们很难精确定义量子力学究竟是什么。量子理论的公式确实表明量子计算是可行的，至少在因式分解或是数据库查询等计算问题上，它带来了巨大的计算速度提升。但没人知道这具体是怎么实现的。

最保守的说法可能是，量子力学创造了经典设备所没有的“计算资源”。正如加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所（Perimeter Institute）的量子理论学家Daniel Gottesman所说，“计算中应用了足够的量子力学资源，计算速度就获得了提高，否则就没有。”

不过有一些事情还是清晰的。为了实现量子计算，你需要保持所有的量子比特相干。而这是非常困难的。量子相干实体所组成的系统和其周围环境的相互作用，会导致量子性质快速消失，这个过程称为“退相干（decoherence）”。想要建造量子计算机，科学家就必须设法延长退相干时间，但现在的技术仅能将时间延长到零点几秒。随着量子比特数量的增加，其与外界环境接触的可能性增大，想要延长退相干时间的难度也就越大。这也是为什么早在1982年，费曼（Richard Feynman）就提出了量子计算机的提议，20世纪90年代初量子计算机的理论就已经形成，但是直到现在人们才制造出了能进行有意义的计算的设备。

量子错误

量子计算还面临另外一方面的障碍。正如自然中的其他过程一样，量子计算过程中也有噪声。来自量子比特内的热量、来自基本的量子力学过程的随机波动都可能会干扰量子比特的状态，从而造成计算错误。噪声在经典计算中同样存在，但不难解决——你只要给每个比特保存两到三份备份，这样一个错误的比特就很容易被发现和剔除。量子计算机的研究者们已经想出了解决噪声问题的策略，但这些策略更像是一种负担——你所有的计算能力都被用于纠正错误，而不是运行算法。“现在的错误率严重限制了量子计算机能执行的计算的长度，”Andrew Childs说道，他是马里兰大学（University of Maryland）量子信息和计算机科学联合中心的联合主任。“如果我们想做一些有趣的事情，我们需要一个比这好得多的策略。”

Andrew Childs，马里兰大学的量子理论学家，他认为错误率是值得小心的，这是量子计算机中一个基本而值得忧虑的问题。

许多量子计算的基础研究都集中到了计算纠错这个问题上。这个领域比较棘手的问题来源于量子系统的另一个关键特性：叠加态只有在你不观测量子比特值的时候才能维持。如果你进行测量，那么叠加态就会塌缩到一个确定的值：1或0。那么问题来了，如果你不知道量子比特的状态，要如何才能发现量子比特是否出错呢？

一个巧妙的想法是进行间接的观测，把需要观测的量子比特与一个不参与计算的辅助用量子比特进行耦合，人们可以探测辅助量子比特而不会导致被测量量子比特状态的塌缩。然而这个想法执行起来较为复杂。这个解决方法意味着，为了构成一个用于纠错的真正的“逻辑量子比特（logical qubit）”，你需要许多物理量子比特。

到底需要多少呢？哈佛大学的量子理论学家Alán Aspuru-Guzik预估需要约1万个现在的物理量子比特才能制造一个逻辑量子比特——这是一个完全不切实际的数字。不过他也认为，随着技术的提升，这个数字可以降低到几千甚至是几百。Eisert没有这么悲观，他认为约800个物理量子比特可能就足够了，但即便这样，他也认为这对计算资源来说是一笔巨大的开销。而现在，我们需要找到新的方法来应对那些容易产生编码错误的量子比特。

纠错的另一种选择就是避免或者消除他们的影响：也称为 “误差抑制（error mitigation）”。例如，IBM的研究员正在开发一种策略，试图搞清楚在一次计算中会发生多少错误，从而推断出理论上的“0噪声”极限。

一些研究者认为，纠错这个问题将会是棘手的，并且会阻碍量子计算机各种宏伟目标的实现。“创造量子纠错的代码比展现量子霸权还要困难，”以色列希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）的数学家Gil Kalai说到。他还补充到，“对计算而言，没有纠错功能的设备实在是太原始了，在这种基础上建立霸权是不可能的。”换句话说，在量子计算机还会出现错误的情况下，它永远无法超越经典计算机。

另一些人认为问题终将得到解决。IBM沃森研究中心（Thomas J. Watson Research Center）的量子信息科学家Jay Gambetta表示，“我们最近在IBM的研究在一台小设备上实现了量子纠错的基本元素，为在大设备上实现噪声下长时间存储量子信息铺平了道路。”即使如此，他也承认，“要使用逻辑量子比特实现一个容错的通用量子计算机，仍有很长的路要走。”这样的发展让Childs保持谨慎乐观的态度：“我相信我们会看到实验上纠错能力的进步，但距离把这项技术用于实际计算，还有很长的一段路要走。”

与错误共存

目前，量子计算机都很容易发生错误，问题在于我们要如何与错误相处。在IBM，研究者们正在讨论一个叫“近似量子计算（approximate quantum computing）”的术语，试图寻找方法来适应噪声。

通过可以容忍错误的算法，我们能够在有噪声的情况下仍然得到正确的结果。这就好比在大选中，人们剔除几张错误的选票，一样可以得到正确的选举结果。“一个足够庞大并且高保真的量子计算机肯定有一些经典计算机不具备的优势，即使它偶尔也会受到噪音的影响。”Gambetta表示。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

现阶段，容忍噪声最直接的应用就是在原子级别上的物质模拟。可能对科学家来说这是最有价值的领域，这实际上也是费曼一开始提议建造量子计算机的动机。量子力学的方程式规定了一种特性计算方式，可以用来计算例如药物分子的反应稳定性和化学反应活性。在经典情况下，要解决这些问题不得不进行许多简化。

Childs认为，电子和原子的量子行为“和量子计算机的原始行为十分相近。”所以我们可以利用量子计算机建立一个分子的精确的计算机模型。“这一领域中的许多人都相信，此类设备有望在量子化学和材料科学领域广泛应用。”Aspuru-Guzik这样表示，他正在推动量子计算向这一方向发展。

量子模拟已经在一些非常小型的量子计算机上证明了其价值。包括Aspuru-Guzik在内的研究小组开发了一套名为“可变量子本征求解”（variational quantum eigensolver ，VQE）的算法，这套算法可以在有噪声的情况下高效找到分子的最低能量状态。虽然到目前为止，这套算法只能应付有几个电子的小分子，而经典计算机足以完全胜任相同的工作。但它的性能逐渐提升了，Gambetta及其合作者去年九月用IBM的6个量子比特的设备展示了计算分子电子结构的能力，包括氢化锂和氢化铍。这项工作是“向量子霸权的飞跃”，苏黎世联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology）的物理化学家Markus Reiher这样说到。“利用VQE模拟小分子结构，是近期运用启发式算法（heuristic algorithms）的一个显著的例子。”Gambetta说到。

即便如此，Aspuru-Guzik也承认，如果量子计算机要真正开始超越经典设备，有纠错功能的逻辑量子比特是必不可少的。“我非常期待，具备纠错功能的量子计算机实现的那一天。”

“如果我们有超过200个逻辑量子比特，我们就有机会在量子化学领域超越经典计算机。” Reiher补充道。“而如果我们有5000个这样的量子比特，那么量子计算机将彻底改变这个领域。”

计算容量知多少？

尽管实现目标需要经历一些挑战，量子计算机从5个量子发展到了50个量子比特仅仅用了一年多，这种快速发展燃起了人们的希望。但我们不应该沾沾自喜，因为这仅仅是量子计算机的一个方面。重要的不仅仅是你有多少量子比特，而是你的量子比特性能有多好，你的算法效率多高。

任何的量子计算都需要在退相干效应将量子比特扰乱之前完成。一般情况下，一组组合好的量子比特有几微秒的时间发生退相干。你能在这稍纵即逝的时间中执行的逻辑运算数量取决于量子门切换的速度，如果切换的时间过长，那么你能支配的量子比特再多也没用。一次计算需要操纵门的次数称为“深度(depth)”：显然深度较小的算法可行性更高，但这样的算法能不能用于进行有价值的计算则是另一个问题了。

此外，不是所有的量子比特都同样嘈杂。理论上，特定材料的拓扑电子态可以构成低噪声的量子比特，其电子状态编码二元信息时不受随机噪声的干扰。微软的研究人员正在特殊的量子材料上寻找这样的拓扑态，但他们并不能保证找到或控制这种状态。

IBM的研究人员用“量子容量”（quantum volume）描述量子计算机的计算能力，这个参数要把所有相关的因素都考虑进去：量子比特的数量和关联性、算法深度、量子门的其他各项性能参数。“量子容量”这个概念才能全面地描述量子计算的能力，Gambetta认为当务之急就是发展能够提高量子容量的量子计算硬件。

这也是为什么现在“量子霸权”这个夸张概念看起来如此不靠谱的原因。一台50量子比特的量子计算机胜过一台最先进水平的超级计算机，这画面确实十分诱人，但也留下了许多悬而未决的问题。量子计算机到底在那些方面做得更好？不经过一台可靠的经典设备的检查，你如何确定量子计算机得到了正确的答案？你又怎么知道经典计算机在有更优算法的情况下不能做得更好？

所以“量子霸权”是一个需要谨慎对待的概念。越来越多的研究者现在倾向于使用“量子优势”，这种表述指的是量子设备对速度的提升，而没有断言哪种设备更占优势。由于种族和政治原因，人们也对“霸权”这个词逐渐产生厌恶。

无论如何命名，量子计算机可以超越经典计算这件事是有着显著意义的。“界定一个清晰的量子优势将是一个重要的里程碑。”Eisert表示，这表明量子计算机真的可以拓展其在科技上的可能性。

确定“量子优势”，其象征意义可能大于实际价值。但这样的事情依然是重要的，因为如果量子计算想要取得成功，不能仅靠IBM或Google这样的公司突然出售他们的新设备，而需要通过开发者和用户间的充分互动才能实现。这也是为什么IBM和Google都热衷于向公众开放量子计算设备的原因。IBM的16位量子比特计算机面向所有注册用户开放后，一个20位的版本也面向包括摩根、戴勒姆公司、本田、三星和牛津大学在内的企业客户开放了。客户不仅可以探索量子设备的用途，还可以创造一个以量子为语言的社区，帮助开发者解决问题，这是任何一家公司都无法独自完成的。

“为了量子计算迈入正规并开花结果，我们必须让全世界使用并学习它，”Gambetta说道。“全世界的科学家和企业应当集中精神，迎接量子计算时代的到来。”