机器纪元 - 量子计算百年风云史 “量子比特”何时统治世界？

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　　如果量子计算仅仅是停留在模仿经典计算机算法的地步的话，那么量子计算本身在信息储存和操作具备的巨大优势就会仅仅被用来在计算复杂性理论（computational complexity theory）上留下一些成果，而现实的物理世界及问题则会被忽视。于是，在基于量子线路基础上的量子算法之外，还出现了其他的量子算法，而它们不仅确实能在一些应用场景中超过经典计算机，还能重新定义难解（intractability）和易解（tractability）问题的抽象概念。

　　绝热算法（adiabatic algorithm）

　　2000年，MIT和东北大学（Northeastern University）的物理学家团队提出了绝热算法（Adiabatic Algorithms），2004年，该算法被证明在多项式意义上等价于线路模型。

　　基于测量的量子算法（Measurement-Based Algorithms）

　　和量子线路模型以幺正演化（unitary evolution）作为基本机制来操作信息不同，该算法只使用非幺正测量手段作为可计算步骤，这套算法演变称两个主要门类，一是隐形传态下的量子计算（teleportation quantum computing），二是单向量子计算机（one way quantum computer）。在2003年，该算法被证明在计算复杂性理论问题上同样等价于线路模型。

　　拓扑量子场论（Topological-Quantum-Field-Theory Algorithms）

　　在2000年，有人已经证明，该模型可以在标准量子计算机上被高效模拟，但是该算法的最大优势在于高容错性，而这就意味着大规模量子计算机的可能性。

　　1996年，赛斯·罗伊德（Seth Lloyd）在论文里为费曼曾经提出的量子计算机的设想给予了肯定的答案，包括量子计算机在内的任何量子系统都能通过程序化来模仿任意量子系统的行为，而且他还给出了对量子计算机的未来展望：

　　“各式原子、分子以及半导体制成的量子设备的出现预示着量子模拟即将成为现实。”

　　1997年，第一个基于量子计算机的核磁共振模型提出，下一年，核磁共振技术就运用到了2量子比特位的寄存器中，而到了2000年，寄存器中的量子比特数量在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）手中增加到了7个。

　　和经典计算机不一样，量子比特并不天然存在，除了粒子阱之外，人们还尝试了基于量子比特的偏振化光子、超导体、半导体以及拓补量子来作为量子比特，不断地寻找最稳定的量子比特载体。

　　2001年，IBM利用核磁共振技术激活7枚核自旋体使其成为量子比特，在成功运行了上兆次之后，终于成功地将15质数分解为3 × 5，量子计算机第一次将使得量子计算变成了现实——整整10年之后，中国的科学家利用4个量子比特实现了分解143。

　　2005年，人们成功地在粒子阱中控制住了8个量子比特，到了2010年，人们已经可以在粒子阱中制造出14个处于纠缠态的量子比特。

　　到了2012年，早已经不复往日风光的 IBM 依然在量子计算领域取得了惊人的成就，他们利用3D超导量子比特成功地使量子比特维持量子状态的时间延长到100微秒（μs，1微秒等于百万分之一秒）——对当时的科学家们而言，这微不足道的刹那时间已经超过了量子计算机进行有效的纠错机制的最低时间，而他们则能把更多的精力放在提高量子计算机规模的工程问题上。

　　在量子计算风起云涌的90年代，在IBM、贝尔实验室、MIT等各领风骚的同时，一家4人联合创办的公司在远离量子计算研究应用版图中心的加拿大悄悄地成立了，此时正是20世纪的最后一年。

　　在之后的很长一段时间中，这家叫D-Wave的公司也并没有引起多少人的注意和兴趣，直到2007年，这家默默无闻的公司忽然推出了16位量子退火处理器原型猎户座（Orion），而仅仅9个月后，他们又向外界展示了其27位处理器原型。

　　红色为模拟退火算法，黑色为量子退火算法

　　D-Wave的量子退火算法的原理大体是这样的：

　　和基于热波动原理的模拟退火（simulated annealing）不同的是，量子退火（Quantum annealing）利用了量子波动。量子波动使得量子具有穿透比它自身能量高的势垒的能力，即量子隧穿效应。量子退火通过模拟这一过程来实现对目标系统的优化。

　　模拟退火算法要跳出局部最小点A到达全局最优点B只能采用翻越势垒的方式实现，因此以一定概率暂时接受较差的当前解成为必须。量子退火算法则利用量子隧穿效应，可以直接从 A 点穿透势垒到达B点。因此，量子退火可能在某些问题上具有比经典模拟退火算法更好的性能。

　　这家公司就像一个粗鲁而强壮的野蛮人一般风风火火地撞进了由实验室和象牙塔里的科学家们经营维护的秘密花园，然后大无畏地荡涤一切，兀自平静地看着那群目瞪口呆猝不及防的人们。

　　加州大学伯克利分校教授阿麦什·瓦泽朗尼（Umesh Vazirani）这样评价 D-Wave 和他们的原型产品：“一个16位的量子计算机只比手机的处理器强一些，很难说它代表了什么实用突破……即使 D-Wave 的‘量子计算机’的确是真的量子计算机，就算它有上千个量子比特，它也不必一部手机强上多少。”

　　然而，4年之后，这家公司推出了运行128位的一体量子计算机D-Wave One，代号“雷勒”（Rainier）的处理器主要用来解决优化问题，这被认为是世界上第一台商用化的量子计算机系统，其售价将近1000万美元。推出这台机器之后仅仅4天，洛克希德·马丁公司就和D-Wave签署了一份购买其机器、维护服务的长年合同。

　　对D-Wave的怀疑并没停息，一支研究团队表示，D-Wave One里的量子退火在运算速度上并没有比经典计算机快上多少。

　　但是，对D-Wave批评质疑的局面并非一成不变。

　　MIT的教授斯科特·艾伦森（Scott Aaronson）自称“怀疑 D-Wave 者扛把子”（Chief D-Wave Skeptic），早在2007年他就宣称D-Wave原型机展示“什么都没法证明”。

　　随着D-Wave One的推出以及更多关于支持D-Wave的研究——其中就包括发表在《自然》（Nature）上的论文——的出现，艾伦森也渐渐改变了自己的倾向，尽管依然坚持自己的质疑，但是，他最终还是表达了对D-Wave的祝贺，并宣布“从‘怀疑D-Wave者扛把子’任上退休”：

　　“过去4年来，大家一直要量子计算群体去评价一家只有冷水和餐盘的食肆，现在我很高兴看到 D-Wave 终于端上了开胃菜。”

　　2012年，D-Wave推出了代号“维苏威”（D-Wave）的512位量子计算机D-Wave Two，同一年，这家公司和 Google、NASA合作在埃姆斯研究中心（Ames Research Center）组建了量子人工智能实验室（Quantum Artificial Intelligence Lab）。

　　不同的研究团队对D-Wave的能力有着几乎截然相反的评价，有人认为，在解决某些问题上，它的机器的最快运算速度是经典计算机的3600倍，而另外一些实验则显示，在解决Prog-QAP问题上，普通单核桌面处理器的速度最多是D-Wave的1.2万倍，在处理Prog-QUBO问题上，前者最多是后者的160倍。

　　实际上，D-Wave对自己的机器有着清晰的界定：

　　这台机器并非通用量子计算机，仅仅只用运行优化算法；

　　这台机器的量子比特是有噪的，在容错阈值之下是无法运行的；

　　并没有大规模的量子纠缠；

　　一些良好调整的经典优化算法有时能超过D-Wave Two。

　　D-Wave 2X 量子计算机。 （Photo by Stephen Lam/Reuters）

　　在不断的争议和批评中，D-Wave在2015年发布了他们基于“喀迈拉图”（chimera graph）架构的新一代1152位（实际上并没达到）量子计算机系统 D-Wave 2X。

　　一年之后，IBM推出了自己的5位量子计算机处理器，而正如它始终强调而D-Wave 欠缺的那样，这是一台通用量子计算机，尽管蓝色巨人已经显出倾颓迹象，但是它依然给自己的量子计算列出了未来10年周期的开发计划——在之后10年里开发出50~100位的量子计算机。IBM研究院总监阿尔文德·克里希纳（Arvind Krishna）这样说道：

　　“量子计算机和今天的计算机非常不一样，不只是因为样子或什么做成的，更重要的在于量子计算机能做的事情。”