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新科技快速指南系列之“量子计算”:历史、现在与未来

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量子物理驱动的计算机不再那么遥不可及了。

编者按:《连线》杂志发表了一系列文章来介绍最新的技术与网络文化。本文是量子计算篇,作者为TOM SIMONITE

当计算机变更小或者变更快时,就会发生下一个大事件(Big Things)。量子计算的出现,是为了追求技术史上最大的性能提升。基本理念是通过利用亚原子尺度的反直觉物理现象,来打破一些限制现有计算机速度的障碍。

就算科技领域成功实现了量子飞跃,你也不会有一台量子计算设备可以装在口袋里。不要开始为购买iPhone Q存钱。但是,我们可以看到它在推动许多科学和技术领域的显著进步上有很大作用,比如电动车用的长效电池,或者重塑产业技术或实现新医疗的化学进步。量子计算机不可能在任何事情上都比传统计算机做的更好更快,但是在一些棘手的问题上,它们有优势,可以实现惊人的进步。

问从事量子计算研究的人,这些梦幻般的应用什么时候会成为现实,是没有用的,某种意义上来说,也是不礼貌的。唯一可以肯定的是,他们还需要很多年的时间。量子计算硬件原型仍处于萌芽阶段。但是,强大的——对于科技公司来说,能给其增加利润的——量子物理驱动的计算机最近开始变得不那么遥不可及了。


IBM的一个量子计算芯片的冷却和支持结构(图片底部的黑色小方块)。

这是因为谷歌、IBM和其他公司已经决定,是时候对这一技术进行大量投资了,这反过来又帮助量子计算在金融(如摩根大通)和航空航天(如空客)等领域的大公司的公司战略上获得了一个突破点。根据CB Insights的数据,2017年,风险投资者向全球从事量子计算硬件或软件的创业公司一共投入了2.41亿美元。这是前一年的三倍。

就像支撑量子计算的令人困惑的数学原理一样,围绕这项仍然不切实际的技术建立的一些期望也会让你不知所以。如果你现在在飞往旧金山的飞机上,眯着眼睛向外看,你会看到一片量子炒作的阴霾在硅谷弥漫着。但是量子计算的巨大潜力是不可否认的,它所需要的硬件正在快速发展。如果想要去理解量子计算,现在正是一个完美的时间。

量子计算的历史

量子计算的前身历史始于20世纪初,当时物理学家开始意识到他们已经失去了对现实的掌控。

首先,对亚原子世界公认的解释被证明是不完整的。例如,电子和其他粒子不仅仅像牛顿撞球那样巧妙地运转。有时它们表现得像波浪一样。量子力学的出现,就是为了解释这种奇怪的现象,但也提出了一些令人不安的问题。比如电子的位置,在被观察到之前是不存在的。

加州理工学院的理查德·费曼(Richard Feynman)在因其对量子理论的贡献获得诺贝尔奖之前的一年评论道,“没有人理解量子力学。”它与我们体验世界的方式是不相容的。但是有些人很好地理解了它,重新定义了我们对宇宙的理解。20世纪80年代,他们中的一些人——包括费曼——开始琢磨像亚原子粒子“你看不到我,我就不存在”这样的量子现象是否可以用来处理信息。80年代和90年代形成的量子计算机的基本理论或蓝图仍然指导着谷歌和其他从事这项技术的人。

在我们陷入量子计算0.101的黑暗浅滩之前,我们应该更新我们对普通旧计算机的理解。众所周知,智能手表、iPhone和世界上最快的超级计算机基本上都在做同样的事情:它们通过将信息编码为数字比特(也就是0和1 )来执行计算。例如,计算机可能会将电路中的电压打开和关闭,以表示1和0。

量子计算机也使用比特进行计算。毕竟,我们希望它们能够插入我们现有的数据和计算机。但是量子比特具有独特而强大的特性,使得一组量子比特比同等数量的传统比特做得事情要更多。

量子比特可以通过不同的方式来构建,但是它们都是利用电子控制的东西的量子特性来代表数字0和1。最受欢迎的例子——至少在人类的一部分中——包括超导电路,或者悬浮在电磁场中的单个原子。量子计算的魔力在于,这种安排让量子比特做的不仅仅是在0和1之间翻转。如果正确运用它们,它们就可以翻转成一种神秘的模式,被称为叠加。


环形电缆将芯片连接到其控制系统的结构底部。

你可能听说过,叠加的量子比特同时是0和1。这并不完全正确,也不完全错误。但重要的是要知道,在这个解释者眼中简化的、大胆的,我们称之为完美的世界中,叠加的数学描述了当一个量子比特被读出时发现0或1的概率——一个将它从量子叠加中崩溃为经典现实的操作。量子计算机可以使用叠加的量子比特集合,来进行不同的可能路径的计算。如果做得正确,指向不正确路径的指针会被取消,当量子比特被读出为0和1时,会留下正确的答案。

对于传统计算机来说非常耗时的一些问题,量子计算机能够以少得多的步骤找到解决方案。一种著名的量子搜索算法Grover的算法,只需1万次运算,就可以在一本拥有1亿个名字的电话簿中找到你。一个经典的搜索算法平均需要5000万次运算,才能快速浏览所有列表并找到你。对于Grover和其他一些量子算法来说,初始问题——或者电话簿——越大,传统计算机就越容易被遗留在数字尘埃中。

我们今天没有有用的量子计算机的原因是量子比特非常有限。它们必须控制的量子效应非常微妙,杂散热量或噪音都可能会翻转0和1,或者消除一个重要的叠加。量子比特必须被小心地保护起来,并在非常冷的温度下工作,有时只有绝对零度以上的几分之一。大多数量子计算计划都依赖于使用量子处理器相当大的一部分能量来纠正其自身的错误,这些错误是由量子比特的误射引起的。

最近对量子计算的乐观,源于在减少量子比特碎片方面的进展。这让研究人员有信心开始将这些设备捆绑成更大的组。创业公司Rigetti Computing最近宣布,它已经用128个量子比特的铝电路制造了一个处理器,这些铝电路经过超级冷却使其超导。谷歌和IBM已经宣布他们各自拥有72和50量子比特的芯片。这仍然远远低于使用量子计算机进行实际工作所需的数量——这可能至少需要数千台——但就在2016年,这些公司最好的芯片只有一位数的量子比特。在对计算机科学家产生强大诱惑的30年后,实用的量子计算可能并不是那么接近现实,但它已经开始变得更接近了。

量子计算的未来

一些大公司和政府已经开始将量子计算研究视为一场竞赛——也许更恰当地来说,这是一场距离终点线的距离和到达终点的奖励都未知的竞赛。

谷歌、IBM、英特尔和微软都已经扩大了他们在这项技术上的团队,越来越多的创业公司如Rigetti都在紧追不舍。中国和欧盟各自启动了价值数十亿美元的新项目来刺激量子研发。在美国,特朗普白宫成立了一个新的委员会来协调政府在量子信息科学方面的工作。2018年向美国国会提交了几项议案,提议为量子研究提供新的资金,总额超过13亿美元。目前还不清楚量子计算的第一批杀手级应用是什么,也不清楚它们何时出现。但是有一种感觉,不管是谁首先使这些机器有实际效用,都会获得巨大的经济和国家安全优势。


铜结构能够很好地传导热量,并将仪器与其冷却系统连接起来。

然而,回到现在的世界,量子处理器还太简单了,不能进行实际工作。谷歌正在努力进行一场名为“量子霸权”的演示,其中量子处理器将在现有超级计算机之外解决一个精心设计的数学问题。这将是一个历史性的科学里程碑,但并不能证明量子计算已经能处理好真正的工作。

随着量子计算机原型越来越大,它们的第一个实际用途可能是化学模拟。分子和原子的计算机模型对于寻找新药或新材料至关重要。然而,传统的计算机无法准确模拟化学反应过程中原子和电子的行为。为什么?因为这种行为是由量子力学驱动的,量子力学对于传统机器来说太复杂了。戴姆勒和大众都已经开始研究量子计算作为改善电动汽车电池化学性能的方法。微软表示,其他用途可能包括设计新的催化剂,降低工业过程的能耗,甚至从大气中提取二氧化碳来缓解气候变化。

量子计算机也是破解密码的自然选择。自90年代以来,我们就知道它们可以快速通过加密的数学基础来保护网上银行和购物等。量子处理器需要更先进才能做到这一点,但是政府和公司正在认真对待这一威胁。国家标准和技术研究所正在评估新的加密系统,这种系统可以在互联网上进行量子验证。


当冷却到操作温度时,整个组件就隐藏在这个白色的绝缘外壳里。

谷歌等科技公司也在押注量子计算机可以让人工智能更强大的趋势。这比化学或代码破译应用更进一步,但具体的细节并不太清楚,但是研究人员争辩说,当他们和越来越大的量子处理器一起工作的时候,他们可以捕捉到更多的细节。一个希望是,量子计算机可以帮助机器学习算法使用比目前用于训练人工智能系统的数百万个例子少得多的例子来完成复杂的任务。

尽管量子计算时代何时真正开始,还存在着所有类似叠加的不确定性,但大型科技公司认为,程序员现在需要做好准备。谷歌、IBM和微软都发布了开源工具来帮助程序员熟悉量子硬件的编写程序。IBM甚至已经开始提供对其一些量子处理器的在线访问,所以任何人都可以尝试使用它们。长期来看,大型计算公司可以通过向公司收取费用来访问装有过冷量子处理器的数据中心来赚钱。

对我们其他人来说有什么好处?尽管有一些明显的缺点,但传统计算机已经让生活变得更加安全、丰富和方便——我们中的许多人离一个小猫的视频的时间距离从来不会超过五秒钟。量子计算机时代应该有同样广泛的影响,但这还是未知的。

原文链接:https://www.wired.com/story/wired-guide-to-quantum-computing/

编译组出品。编辑:郝鹏程

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