谷歌、英特爾、微軟紛紛下海

云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能……近年來(lái)科技領(lǐng)域的熱門(mén)概念層出不窮，大有“積硅步以致千里”的態(tài)度，而近期，有關(guān)量子計(jì)算的新聞不斷進(jìn)入熱搜排行榜，作為一個(gè)能夠讓谷歌、英特爾、微軟等科技巨頭趨之若鶩的概念，其究竟有何魅力能夠被贊譽(yù)為“真正的計(jì)算革命顛覆者”呢？

牛頓定律不再適用，量子計(jì)算究竟是何物？

從物理科學(xué)基礎(chǔ)上講一個(gè)電子不可再分的，不可能永遠(yuǎn)從90多納米到60多納米，到40多納米，到30多納米……將來(lái)能夠到零點(diǎn)幾納米甚至更小納米的層面。從科學(xué)的原理上來(lái)講，宏觀問(wèn)題上，是按照牛頓三大定律主宰的，但到納米層面，牛頓定律不再適用，而會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的科學(xué)，也就是我們經(jīng)常說(shuō)的量子力學(xué)，描述的基礎(chǔ)就不一樣了。

量子計(jì)算是一種依照量子力學(xué)理論進(jìn)行的新型計(jì)算。量子的重疊與牽連原理產(chǎn)生了巨大的計(jì)算能力。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子位（qubit）寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四個(gè)數(shù)，因?yàn)槊恳粋€(gè)量子比特可表示兩個(gè)值。如果有更多量子比特的話，計(jì)算能力就呈指數(shù)級(jí)提高。

“如果你認(rèn)為自己明白了量子理論，你就沒(méi)有明白量子理論”—參加過(guò)美國(guó)秘密研制原子彈“曼哈頓”計(jì)劃的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼都說(shuō)出了這樣的話，所以不要害怕自己沒(méi)弄懂量子計(jì)算原理，應(yīng)用才是王道。

計(jì)算能力幾何倍數(shù)遞增，為何需要量子計(jì)算？

PC性能過(guò)剩？消費(fèi)領(lǐng)域個(gè)人PC或許存在這樣的問(wèn)題，但商業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域顯然是PC性能不足。近年來(lái)，全球每年產(chǎn)生的數(shù)字化信息總量正急速增加，每過(guò)18個(gè)月，整個(gè)信息數(shù)據(jù)的容量將是所有歷史數(shù)據(jù)量的總和，如此龐大的數(shù)據(jù)量背后，需要以強(qiáng)悍的計(jì)算能力為支撐。以機(jī)器人為例，二十年前一個(gè)機(jī)器人會(huì)采用32個(gè)CPU達(dá)到120MHz的計(jì)算速度，而現(xiàn)在一臺(tái)機(jī)器人往往會(huì)采用2000個(gè)CPU、300個(gè)GPU，以強(qiáng)大的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)更快的反映速度及數(shù)據(jù)分析、處理能力。

傳統(tǒng)PC性能難以滿足未來(lái)計(jì)算的需要，而疊加（superposition）和糾纏（entanglement）兩個(gè)獨(dú)特的量子現(xiàn)象讓量子計(jì)算機(jī)擁有遠(yuǎn)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大的性能。量子疊加使量子比特能夠同時(shí)具有0和1的數(shù)值，可進(jìn)行“同步計(jì)算”（simultaneous computation）。量子糾纏使分處兩地的兩個(gè)量子比特能共享量子態(tài)，創(chuàng)造出超疊加效應(yīng)：每增加一個(gè)量子比特，運(yùn)算性能就翻一倍。具體到計(jì)算能力上，以人工智能為例，人工智能如果只是加速，原來(lái)需要一千臺(tái)機(jī)器，或者需要一萬(wàn)臺(tái)，現(xiàn)在（用量子計(jì)算機(jī)）可能四臺(tái)就可以了。

派系林立，科技巨頭們?yōu)楹胃髯詾閼?zhàn)？

科技巨頭英特爾、微軟、IBM，谷歌都在向量子計(jì)算投入千萬(wàn)美元的研發(fā)資金。但是，他們?cè)趯?duì)不同的量子計(jì)算技術(shù)下賭注！沒(méi)有人知道，采用哪種量子比特（qubit）能造出有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)。

谷歌的超導(dǎo)量子研究：谷歌已制造出 9 量子比特的機(jī)器，并計(jì)劃明年增加至 49 量子比特。這是一個(gè)極為關(guān)鍵的門(mén)檻。學(xué)者預(yù)計(jì)，在 50 量子比特左右，量子計(jì)算機(jī)就能達(dá)到“量子霸權(quán)”（quantum supremacy），從而表明“量子計(jì)算機(jī)在一些領(lǐng)域有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所不具有的能力”，比如在化學(xué)和材料學(xué)里模擬分子結(jié)構(gòu)，還有處理密碼學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)的一些問(wèn)題。

點(diǎn)評(píng)：谷歌、IBM都傾向該派系，超導(dǎo)量子研究能夠利用現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施以快速奏效，但其技術(shù)特點(diǎn)易崩潰，必須保持低溫。

英特爾和硅量子點(diǎn)：英特爾在2015年向荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子技術(shù)研究項(xiàng)目QuTech投資5000萬(wàn)美元，其專注于硅量子點(diǎn)技術(shù)（silicon quantum dots），它經(jīng)常被稱作“人造原子”。一個(gè)量子點(diǎn)量子比特是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態(tài)可以用0或1來(lái)表示。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要激光來(lái)困住它。

點(diǎn)評(píng)：英特爾原本就對(duì)硅材料熟悉無(wú)比，穩(wěn)定的特性能夠利用現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)置，不過(guò)糾纏數(shù)量較少，必須保持低溫。

微軟和拓?fù)淞孔樱何④涍x擇的是基于非阿貝爾任意子（nonabelian anyons）的拓?fù)淞孔颖忍兀╰opological qubits），這些根本就不是物體，他們是沿著不同物質(zhì)邊緣游動(dòng)的準(zhǔn)粒子（quasiparticles）。他們的量子態(tài)由不同交叉路線（braiding Paths）來(lái)表現(xiàn)。因?yàn)榻徊媛肪€的形狀導(dǎo)致了量子疊加，他們會(huì)受到拓?fù)浔Ｗo(hù)（topologically protected）而不至于崩潰，這類似于打結(jié)的鞋帶不會(huì)散開(kāi)。

點(diǎn)評(píng)：除微軟外，貝爾實(shí)驗(yàn)室也屬于該流派，有點(diǎn)事大幅降低計(jì)算過(guò)程中的錯(cuò)誤，缺點(diǎn)是存在與否都還需要驗(yàn)證。

D-Wave和量子退火：2007年，加拿大初創(chuàng)公司D-Wave Systems 宣布，他們使用16個(gè)超導(dǎo)量子比特成功制成量子計(jì)算機(jī)，但是D-Wave的機(jī)器并沒(méi)有使所有的量子比特發(fā)生糾纏，并且不能一個(gè)量子比特接著一個(gè)量子比特得編程（be programmed qubit by qubit），而是另辟蹊徑，使用了一項(xiàng)名為“量子退火”（quantum annealing）的技術(shù)。該技術(shù)下，每個(gè)量子比特只和臨近的量子比特糾纏并交互，這并沒(méi)有建立起一組并行計(jì)算，而是一個(gè)整體上的、單一的量子狀態(tài)。

點(diǎn)評(píng)：D- Wave并沒(méi)有攻克許多公認(rèn)的量子計(jì)算難題，比如錯(cuò)誤修正（error correction），但包括谷歌和洛克希德馬丁在內(nèi)的幾家公司，購(gòu)買(mǎi)并測(cè)試了D- Wave的設(shè)備，他們初步的共識(shí)是，D- Wave做到了一些能稱之為量子計(jì)算的東西。

ionQ和囚禁離子：ionQ的Chris Monroe正在試圖克服囚禁離子帶來(lái)的各項(xiàng)挑戰(zhàn)。作為量子比特，它們可以在幾秒鐘內(nèi)維持穩(wěn)態(tài)，這還多虧了真空裝置和在環(huán)境噪音影響下仍能將其穩(wěn)定的電極。但是，這些隔離措施意味著，量子比特之間的交互變得更難。Monroe 最近把 22 個(gè)鐿離子糾纏成一條線形鏈（linear chain），但至今，他還未能控制或查詢所有的離子對(duì)，而這是量子計(jì)算機(jī)必須做到的。

點(diǎn)評(píng)：囚禁離子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于穩(wěn)定，并具有非常好的邏輯門(mén)和保真度，不過(guò)其運(yùn)轉(zhuǎn)較慢，需要較多的激光配合。

總體而言，這五大派系是目前量子計(jì)算的主流，且每個(gè)派系都得到科技巨頭及資本創(chuàng)投圈的支持，誰(shuí)最終會(huì)成為主流還有待時(shí)間考量。

精力有限，巨頭們也需要抱團(tuán)？

科技巨頭們會(huì)選擇不同的技術(shù)派系，一方面肯定與企業(yè)本身技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃有關(guān)，另一方面，這些習(xí)慣了“壟斷”的大佬顯然希望自己通過(guò)某技術(shù)派系拿到量子計(jì)算領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)。但現(xiàn)實(shí)情況是沒(méi)有人對(duì)量子計(jì)算足夠了解，但每個(gè)團(tuán)隊(duì)都選了一個(gè)量子比特類型做研究，每種方案都需要不斷地優(yōu)化，擴(kuò)大規(guī)模，最終才能應(yīng)用于制造量子計(jì)算機(jī)。無(wú)論是制造基于超導(dǎo)體，還是硅的量子比特，都需要極高的連貫性和一致性。對(duì)它們冷卻的冷凍裝置也需要改善。囚禁離子需要更快的邏輯門(mén)，更緊湊的激光和光纖。拓?fù)淞孔颖忍厝孕枰话l(fā)明出來(lái)。簡(jiǎn)而言之，要面對(duì)的挑戰(zhàn)太多，團(tuán)隊(duì)之間需要一定程度的相互合作、信息共享，才能加快進(jìn)度。

未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)很可能是一個(gè)混合體，由超快的超導(dǎo)體量子比特對(duì)算法進(jìn)行運(yùn)算，然后把結(jié)果扔給更穩(wěn)定的離子存儲(chǔ)。與此同時(shí)，光子在機(jī)器的不同部件之間傳遞信息，或者在量子網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間。

值得百年等待，量子計(jì)算究竟能用在哪里？

從量子概念的提出到當(dāng)下的摸索、實(shí)踐，量子研究已經(jīng)跨越了超過(guò)三個(gè)世紀(jì)、百年時(shí)間，據(jù)專業(yè)人士估計(jì)，按照現(xiàn)在的研究進(jìn)程，真正實(shí)現(xiàn)可編程的、通用量子計(jì)算機(jī)，可能需要30年甚至50年。當(dāng)然，其潛在的應(yīng)用價(jià)值也是不可估量的。

在金融、航天、生物基因、制藥等設(shè)計(jì)龐大、計(jì)算數(shù)據(jù)的領(lǐng)域而言，量子計(jì)算能極大縮短計(jì)算所需時(shí)間，并提供給更為詳實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，當(dāng)然，它本身將成為大數(shù)據(jù)和人工智能的基礎(chǔ)支撐。

寫(xiě)在最后：未來(lái)，可期

不明覺(jué)厲！或許對(duì)大多數(shù)人而言，這四個(gè)字很生動(dòng)地形容了量子計(jì)算。如果說(shuō)第一次量子深刻影響了晶體管和激光的發(fā)展，那第二次量子革命對(duì)人類一定是有巨大促進(jìn)的作用，數(shù)字化、智能化趨勢(shì)都需要量子計(jì)算的支撐，而各領(lǐng)域的變革與顛覆，最終會(huì)顛覆整個(gè)生活。