━━━━━

你大概已經見識過薛定諤的貓了——就是處于既生又死的疊加態的貓。現在，讓我們向薛定諤系的科學家們問好——這些研究者目前正處于某種既興奮又畏懼的狀態。

薛定諤著名的思想實驗已經通過某種全新的形式進入了人們的生活，因為量子研究人員通過長期的探索，已站在一項成就的頂端：創造一臺傳統計算機無法匹敵的量子計算機。反對者堅稱，量子計算機就是一個難以實現的科學幻想；量子研究人員耗費數年時間來反駁這個觀點，現在，他們終于可以心安理得地自得于人前了。

但過度夸大進展的媒體報道也如潮水般涌來。例如，2014年2月17日《時代》雜志就公布了量子計算的特性，編輯們還在封面上宣稱，這種“無限大的機器”（InfinityMachine）極具革命性，“有望解決人類面臨的最復雜的問題”。從那以后，許多媒體的描述也變得同樣夸大其詞。

━━━━━

科羅拉多大學波德分校的量子計算研究員格雷姆?史密斯（GraemeSmith）解釋了該領域面臨的難題。“過去，如果你從事該領域的工作，你會很樂觀地告訴每個人它的光明前景。但情況發生了變化，現在，即便是像我這樣的研究人員也無法相信媒體報道中所說的內容——量子計算機很快就能在瞬間解決每一個問題。對于量子計算機可以做什么這一問題，似乎被無底線地競相夸大。”

人們之所以如此興奮，是因為量子計算機有望在今年某個時候實現一項重要里程碑。在谷歌研究小組和IBM研究小組的競逐下，科學家們有望展示“量子霸權”。這意味著系統將能夠解決現有傳統計算機因存儲量或計算能力不足而束手無策的問題。

盡管標題黨宣稱“量子霸權”將使“量子計算的到來”不可避免，但它的成就并不會像主流媒體吹噓得那么重大。首先，谷歌用來展示量子霸權的算法并未完成任何有現實意義的事情：研究人員設計的問題并未涉及傳統計算機現有的計算范圍。

構建可解決現實世界里人們真正關注的計算問題的量子計算機，需要多年艱苦卓絕的研究。事實上，谷歌和IBM的量子計算工程師們都表示，建造一臺可解決最棘手計算問題的量子“夢想機器”仍需數十年時間。

即便到那時，業界人士也不會期望量子計算機可以取代傳統計算機——盡管人們普遍認為，傳統計算摩爾定律的失勢將使量子計算機有機會一統天下。目前在所有的量子計算機設計中，都將它們與執行大量預處理和后處理步驟的傳統計算機相匹配。此外，由于能首先讓量子計算機順利執行任務的軟硬件才剛起步，目前傳統計算機可快速執行的日常編程任務，在量子計算上可能會變得很慢。

“我認為，沒有人會指望用量子計算機來取代傳統計算機。”量子研究人員斯蒂芬?喬丹（Stephen Jordan）說。喬丹曾在美國國家標準與技術研究院（NIST）工作多年，并于最近加入位于華盛頓州雷德蒙德的微軟研究院。也許，量子機器僅適用于某些具備巨大收益而傳統計算機無法輕松處理的特定計算工作。

量子計算機的觀點可追溯至1981年諾貝爾獎得主、物理學家理查德?費曼的一次演講。他提出可使用亞原子粒子的特性來模擬其他亞原子粒子的行為。但該領域更好的起點是1994年彼得?肖爾（Peter Shor，曾供職于AT＆T貝爾實驗室，現在麻省理工學院任職）的一篇論文，文中展示了一臺量子計算機——假定人們可以創建一臺量子計算機——如何能夠快速找到大數質因子，從而破譯常用公鑰加密系統。這樣的電腦基本上可以攻破互聯網。

許多人都注意到了這篇文章，特別是涉及加密技術的美國安全機構，他們很快便開始投資量子硬件研究。在過去的20年里，該領域的相關投入已達到數十億美元，而主要投資人就是政府。如今現有技術更趨近商業化，風險投資人也開始采取行動，這種情況很可能與目前對量子技術的大肆炒作有關。

━━━━━

那么量子計算機是如何工作的呢？

給出一個簡單易懂的答案十分不易，正因如此，2016年4月加拿大***賈斯汀?特魯多像其他外行人士那樣簡單地回答了該問題，才會被封為極客英雄。在一次新聞發布會上，特魯多解釋說：“普通電腦……采用的是1或0，即二進制系統。而量子態可以在1比特中編入更復雜的信息。”這一解釋很快家喻戶曉。

如果特魯多有更多時間，他可能會繼續說，量子計算機的主要基本單元是“量子比特”——一個量子比特是一個量子對象，可處于無限多種狀態，它們與測量量子比特時假定其處于兩種狀態之一的概率有關。任何具量子特性的物體（如電子或光子）都可以作為量子比特，只要計算機能隔離和控制它。

每個量子比特一旦在計算機內部形成，即遵從于可向其傳遞電磁能量的一些機制。為了運行一個特定程序，計算機精確按照腳本序列（例如微波傳輸）以特定頻率和持續時間快速移動量子比特。這些脈沖相當于量子程序的“指令”。每條指令可使量子比特的未測定狀態以特定方式演變。

這些脈沖操作不是僅在一個量子比特上進行，而是在系統內的所有量子比特上完成，通常每個量子比特或一組量子比特接收不同的脈沖“指令”。量子計算機中量子比特相互作用的過程稱為糾纏；從某種意義上講，這一過程與它們的未來相關。值得一提的是，量子研究人員已經找到了利用計算機內量子比特狀態的連續變化來執行有效計算的方法。

程序完成后（亦即數千甚至數百萬個脈沖發出后），量子比特的狀態得到測量，揭示最終的計算結果。這會使每個量子比特變成0或1，即量子力學中著名的波函數坍塌。

量子比特必須與哪怕最微量的外部干擾隔離（至少是在計算完成前），若非如此，量子計算將是一項非常簡單的工程。但要實現隔離困難重重，這也是為什么直到數年前，最大的量子機器也至多只有十幾個量子比特，而且只能執行最簡單的算法。

由于周圍環繞的噪聲，量子比特很容易出錯。要解決這一問題，量子計算機需要備用量子比特。如果一個量子比特出現問題，系統會調動備用量子比特，使錯誤量子比特恢復到正確狀態。

常規計算機也存在這種糾錯過程。但量子系統需要的量子比特數量十分巨大。工程師們估計，要想獲得一臺可靠的量子計算機，所用的每個量子比特可能需要1000甚至更多的備用量子比特。由于許多先進算法需要具備數千個量子比特才能運行，因此一臺實用的量子機器所需的量子比特總數（包括與糾錯相關的量子比特）動輒達數百萬。

兩相對照，谷歌最新發布的量子計算芯片只包含72量子比特。這些量子比特對計算而言價值幾何將取決于它們的易錯度。

2014年，谷歌聘用了美國加州大學圣芭芭拉分校的一支團隊開展量子計算機研究工作。2017年11月，IBM宣布成功構建了一臺50量子比特的量子計算機。這兩家公司，以及位于加州伯克利的初創公司Rigetti計算和英特爾（最近已宣布推出49量子比特陣列）所使用的芯片都經過了專門的設計，憑借其所含的超導電路回路而具備量子特性。這些芯片必須在極低溫度下保存，因此需要建造有如好萊塢科幻電影道具般精致的壁櫥般大小的冷卻系統。

目前存在一種完全不同的量子硬件架構，其中所含的量子粒子，即離子，可懸浮于一個在室溫下運行的系統中。杜克大學的物理學家金俊祥（JungsangKim，音）和馬里蘭大學的克里斯多夫?門羅（ChristopherMonroe）共同創立的初創公司IonQ（位于馬里蘭大學帕克分校）正致力于構建一臺基于該方法、使用鐿離子的機器。

微軟正在推行第3種策略，即拓撲量子計算。它在理論上可行，但目前還不具備有效硬件。

這些系統沒有一個與近年來收獲最多公眾關注的來自加拿大D-Wave系統公司的量子計算機平臺接近。雖然谷歌和大眾汽車等知名公司采用了D-Wave的機器，但量子研究領域的大多數人依然對這些設備持懷疑態度。這些科學家認為，傳統計算機做不到的事情，D-Wave系統也不可能做到；并且還質疑，該系統是否真的實現了量子加速。

谷歌-IBM-Rigetti的超導戰略似乎在這場硬件競賽中一馬當先，但人們尚不清楚哪種形式的硬件能夠最終勝出；還有一種可能是這3種方法將會并存。量子程序員表示，他們并不在乎哪種設計能最終獲勝，他們只希望能夠發揮量子比特的作用。

━━━━━

量子計算存在許多未知因素，其中之一是機器提供額外量子比特的速度有多快。隨著傳統計算機技術的發展，摩爾定律可確保晶體管數量每兩年左右翻一番。但由于與量子機器相關的電子學十分復雜，目前還無法做出類似的預測。許多工程師預計，在未來一段時間內，我們將止步于量子比特數量相對較少的機器（可能只有數百個）。鑒于量子霸權的基本演示可能無法提供有用結果，而且需要許多年才能有成熟的系統出現，工程師們正將重點放在可在近期問世的小型量子系統中運行的算法上。

人們即將形成的共識是：雖然驚喜隨時可能出現，但進展無法一蹴而就。

“那些聲稱量子計算機很快就能解決現實問題，或者聲稱利用量子計算機能賺大錢的人，我覺得他們都沒有說實話。”加州大學圣芭芭拉分校的物理學家威姆?范?達姆（Wimvan Dam）說，“要想實現這些目標，你需要更大型的系統。但這并不意味著該領域目前的進展不令人激動。”

在麻省理工學院的彼得?肖爾開發了因子分解算法后的20年里，量子計算已與密碼學息息相關。不過近年來，人們對破解互聯網加密的擔心有所緩解，這一方面是因為量子界已經意識到，要實現肖爾所描述的機器還有很長的路要走，另一方面是因為可抵御量子攻擊的“后量子密碼學”正在崛起。即使是現在，美國國家標準技術研究所還在評估后量子加密基礎設施的各種候選方法。

本著費曼對量子計算的獨到見解，研究人員并不完全局限于加密，而是傾向于使用計算機來模擬原子和分子。研究人員稱，在美國國家標準與技術研究院的量子算法集中，物理和化學模擬算法最多，收益也相當可觀。例如，可以想象一下接近室溫的超導金屬會是什么樣子。

但也要注意不能過分夸大。據馬里蘭大學的物理學家兼計算機科學家安德魯?蔡爾茲（Andrew Childs）預測，第一代量子計算機只能解決相對簡單的物理和化學問題。“你可以適當地用少量量子比特來回答高分子物理學領域也能給出答案的問題，”他說，“但要想理解更多，比如高溫超導性，就需要更多量子比特。”

盡管研究人員告誡不要對新生量子計算機過分樂觀，但他們也并不排除未來的突破將能夠實現用更少的能量來解決更多的問題。編程人員實踐得越多，算法就會越優秀，這正是IBM將其量子機器放在網上供研究人員使用的原因。

“我可以在這張白紙上寫下地球上所有量子算法研究人員的名字。這就是問題所在。”伯克利Rigetti量子計算公司的查德?里吉蒂（Chad Rigetti）說，“我們需要在算法上取得更大進展，要為數以萬計的學生提供學習用的機器，這有助于推動該領域的發展。”

就這些學生而言，站在新時代的潮頭，未來展現出驚人新發現的巨大潛力，這令他們甘之如飴。加州大學伯克利分校的物理系研究生丹尼爾?弗里曼（Daniel Freeman）表示，量子機器尚處于早期發展階段是該研究領域的一個特點，而非缺陷。

他說：“我們身處的當口差不多相當于100年前傳統計算的新生時期，甚至還未步入真空管階段。但我認為這真是酷斃了。”