潮起量子計(jì)算

微軟公司的研發(fā)部門近日透露，微軟正大手筆投入一項(xiàng)研究，有望發(fā)明一種顛覆式的新型電腦：量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的最大亮點(diǎn)在于，它能夠完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法有效實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜計(jì)算任務(wù)。

在近日《麻省理工科技評論》舉辦的數(shù)字化峰會(huì)上，微軟研發(fā)部的負(fù)責(zé)人Peter Lee稱，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)堪比20世紀(jì)40年代貝爾實(shí)驗(yàn)室研發(fā)世界上第一個(gè)硅晶體管的嘗試。“我們正在探索一種可以替代硅晶體管的設(shè)備?！?/p>

Lee透露此前微軟對量子計(jì)算機(jī)的研究非常低調(diào)，但目前非常樂觀的研發(fā)結(jié)果使得微軟決定不再諱莫如深。

如何突破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中半導(dǎo)體芯片尺寸的極限，是21世紀(jì)的重大科學(xué)課題。當(dāng)芯片元件做到納米尺寸，微觀客體的運(yùn)行機(jī)制就要服從量子力學(xué)。

這就誕生了一個(gè)革命性的設(shè)想：利用量子科學(xué)開發(fā)出新的信息處理功能，即量子計(jì)算機(jī)。

微軟公司并不試圖立馬制造出一臺量子計(jì)算機(jī)，相反，其研究的重點(diǎn)是研發(fā)出一版可靠的量子比特（Qubit）——它是量子計(jì)算機(jī)的基本信息單元，而且可以使量子計(jì)算機(jī)具備遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用1和0存儲信息并進(jìn)行計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)的特殊之處在于利用量子效應(yīng)，達(dá)到“疊加狀態(tài)”，即可以同時(shí)處于1和0的數(shù)據(jù)狀態(tài)。兩個(gè)量子比特就能表示00、01、10、11四種狀態(tài)。

因此理論上，300個(gè)量子比特可承載的數(shù)據(jù)就能是2的300次方，對比300個(gè)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特能夠承載的數(shù)據(jù)只有2的300倍。

這使得量子計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)信息處理方面的速度讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法企及。它將為人們在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等領(lǐng)域提供無比強(qiáng)大的運(yùn)算工具。

科學(xué)界認(rèn)為，過去十年發(fā)生在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上的指數(shù)級增長的計(jì)算能力已經(jīng)到了盡頭。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)的處理是串行計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)是并行運(yùn)行，運(yùn)算速度呈指數(shù)上升。并行運(yùn)行有多快？量子計(jì)算機(jī)之于傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的速度，就相當(dāng)于電子計(jì)算機(jī)之于算盤。

但技術(shù)層面還面臨障礙。在實(shí)際系統(tǒng)中，量子相干性很難維持。微軟的研發(fā)人員嘗試了量子比特的不同設(shè)計(jì)，但是沒有一種疊加狀態(tài)是持續(xù)穩(wěn)定的，因此制造出一臺商用的量子計(jì)算機(jī)似乎還很遙遠(yuǎn)。

微軟在不斷嘗試，包括研發(fā)出特殊的工具用于量子實(shí)驗(yàn)，并且把這些工具與學(xué)術(shù)界分享。這些工具包括云模擬平臺，以及用于超低溫的環(huán)境下量子硬件實(shí)驗(yàn)的新型電子儀器。

除微軟之外，美國的其他科技巨頭也在發(fā)力量子計(jì)算。

2013年，谷歌聯(lián)手美國航天局建立了一個(gè)量子人工智能實(shí)驗(yàn)室，旨在利用量子計(jì)算技術(shù)推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)（人工智能的核心）領(lǐng)域的發(fā)展。

微軟的量子計(jì)算機(jī)在美國尚未實(shí)現(xiàn)商用，但在美國近鄰加拿大，一家名為D-Wave Systems的公司卻聲稱已經(jīng)出售了幾臺這樣的計(jì)算機(jī)。

D-Wave目前只有極少的客戶，其中包括美國國防承包商洛克希德·馬丁、美國宇航局，以及谷歌公司和美國情報(bào)局共同投資的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室（Quantum AI Lab）。

2011年它簽署了第一家客戶合同：洛克希德·馬丁支付了1000萬美元購入一臺量子計(jì)算機(jī)，用于自動(dòng)檢測復(fù)雜項(xiàng)目遭遇的軟件故障。

2013年，它以1500萬美元的價(jià)格將改良版的D-Wave II賣給了谷歌，該計(jì)算機(jī)的速度據(jù)稱比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快3.55萬倍。

2013年，這家加拿大公司收到了3000萬美元——其中有來自美國中央情報(bào)局投資的In-Q-Tel以及亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯——用于量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。

D-Wave在公司網(wǎng)站上大膽預(yù)言：量子計(jì)算機(jī)可能代表的是計(jì)算能力的一場偉大革命，它能夠解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)幾百年才能完成的任務(wù)，并且能夠給解碼、納米技術(shù)、醫(yī)療、人工智能等諸多領(lǐng)域帶來顛覆式的影響。

2014年2月17日出版的《時(shí)代周刊》，以封面文章報(bào)道了量子計(jì)算機(jī)的概念以及加拿大的這家公司。

該公司的首席執(zhí)行官Vern Brownell在今年2月10日的一篇博文中稱，公司早期創(chuàng)立時(shí)就“聚焦制造技術(shù)”，這使得他們得以制造出世界上第一臺可以量產(chǎn)的量子計(jì)算機(jī)?！熬劢钩瑢?dǎo)量子集成電路的制造技術(shù)，對于量子計(jì)算機(jī)的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)的建立至關(guān)重要。只需要想象一下，半導(dǎo)體制造技術(shù)對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硬件和軟件的生態(tài)系統(tǒng)的重要性和必要性就可知了?！?/p>

量子計(jì)算機(jī)雖然受到了投資者的追捧，在學(xué)術(shù)界卻飽受爭議。

一些研究者指出，尚未有明確的證據(jù)表明，這種所謂的量子計(jì)算機(jī)顛覆了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

麻省理工學(xué)院的Scott Aaronson教授是質(zhì)疑者中的代表。他指出，量子計(jì)算機(jī)能否以更快的速度解決問題，仍舊是個(gè)疑問，D-Wave公司必須證明，量子芯片能夠發(fā)揮“量子加速”的優(yōu)勢。

針對這一點(diǎn)，2014年6月19日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一份研究報(bào)告顯示，科學(xué)家們通過在D-Wave II和傳統(tǒng)PC上運(yùn)行“匹配優(yōu)化算法”，來比較兩者運(yùn)算速度的差異。結(jié)果，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“沒有證據(jù)表明，量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度更快”。

中國科學(xué)院院士、量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)亦指出，量子效應(yīng)持續(xù)時(shí)間極短，從一個(gè)側(cè)面說明D-Wave并不是一臺真正的量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗皼]有體現(xiàn)出量子計(jì)算機(jī)并行運(yùn)算的優(yōu)勢”。

但是，這樣的測試可能低估了D-WaveⅡ的實(shí)力?！缎驴茖W(xué)家》（New Scientist）的一篇文章指出，很多用于測試的問題都存在一個(gè)缺陷，就是缺乏挑戰(zhàn)性，這導(dǎo)致D-Wave不能真正地發(fā)揮出量子優(yōu)勢。

無論D-Wave能否讓科學(xué)家們滿意，這對于吸引投資者和技術(shù)公司來說并不打緊。在很多的商業(yè)領(lǐng)域，計(jì)算力量是保持競爭力的重要一環(huán)，而公司和政府部門可能有更緊迫的動(dòng)機(jī)來相信量子計(jì)算機(jī)的未來。

風(fēng)險(xiǎn)投資公司Draper Fisher Jurvetson的合伙人Steve Jurvetson就表示，“量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用空間是無限的，包括股票交易、分子模擬、密碼破解、電子商務(wù)，還有谷歌、微軟這樣的技術(shù)公司。”

量子計(jì)算機(jī)還可能成為銀行、軍事等國家安全體系的高科技裝置。

美國已經(jīng)啟動(dòng)了被命名為“微型曼哈頓計(jì)劃”（“二戰(zhàn)”時(shí)期研制原子彈，被稱為“曼哈頓計(jì)劃”）的量子芯片研究計(jì)劃，并且把半導(dǎo)體量子芯片科技列為未來九大戰(zhàn)略研究計(jì)劃之一，而且其重要性排在第二位。

另據(jù)《華盛頓郵報(bào)》報(bào)道，從愛德華·斯諾登那里獲得的文件顯示，美國國家安全局正在打造量子計(jì)算機(jī)，用于破譯大多數(shù)類型的加密技術(shù)。

這是一個(gè)投入達(dá)7970萬美元的研發(fā)項(xiàng)目——“滲透高難目標(biāo)”（Penetrating Hard Targets），據(jù)說正在馬里蘭大學(xué)帕克分校的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室秘密進(jìn)行。

如果量子計(jì)算機(jī)真的誕生，那么它將解決這個(gè)世界上最棘手的一些計(jì)算問題。

中科院物理研究所研究員劉伍明指出，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)正遇到摩爾定律的極限，而頂破天花板的正是量子計(jì)算。

“比如搜救失聯(lián)的馬航客機(jī)，它挑戰(zhàn)了人類現(xiàn)階段的能力。如果我們有一臺強(qiáng)大到足以處理所有海面數(shù)據(jù)和航行數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，找到MH370并非難事?！眲⑽槊鞅硎?。

量子計(jì)算機(jī)還可能解決目前軟件工程師稱之為“優(yōu)化”的問題，它是機(jī)器學(xué)習(xí)的根本，是一系列技術(shù)的基礎(chǔ)，是語音識別、產(chǎn)品推薦，以及谷歌、亞馬遜這些高度依賴大數(shù)據(jù)的研究重點(diǎn)。

在美國南加州大學(xué)就安裝了一臺D-Wave計(jì)算機(jī)，該校的Bob Lucas教授長期從事超級計(jì)算和量子計(jì)算的研究。Lucas表示通過不斷的實(shí)驗(yàn)，他對于量子計(jì)算技術(shù)的認(rèn)識已經(jīng)逐步從“高度懷疑”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸?jǐn)慎樂觀”。