從薛定諤的貓到今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的不開(kāi)箱就能觀測(cè)貓的生死，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)從空想變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，而隨著 IBM 等商業(yè)機(jī)構(gòu)的發(fā)力，量子計(jì)算機(jī)時(shí)代正在向我們快步走來(lái)。

　　10 月 9 日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)答案揭曉，來(lái)自巴黎高等師范學(xué)院塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）教授以及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的大衛(wèi)·維因蘭德（David Wineland）教授共同分享了這一殊榮，他們兩人的獲獎(jiǎng)理由是分別發(fā)明了測(cè)量和控制孤立量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。

　　在諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的新聞稿中，兩位獲獎(jiǎng)?wù)叩某删捅环Q為“為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。”一時(shí)間，量子計(jì)算機(jī)也成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　薛定諤的貓和諾貝爾獎(jiǎng)

　　對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，量子力學(xué)是個(gè)深不可測(cè)的概念。不過(guò)，隨著最近幾年科幻題材電影電視劇的風(fēng)靡，“平行宇宙”、“平行世界”之類的詞匯開(kāi)始被頻頻提及，而它正是出自量子力學(xué)的相關(guān)概念。

　　想要了解什么是量子計(jì)算機(jī)，那么首先需要了解“薛定諤的貓”這個(gè)量子力學(xué)中的經(jīng)典假設(shè)。

　　1935 年，奧地利著名物理學(xué)家，同時(shí)也是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的薛定諤設(shè)想出這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：一只貓被關(guān)進(jìn)一個(gè)不透明的箱子里，箱子內(nèi)事先放置好一個(gè)毒氣罐，毒氣罐的開(kāi)關(guān)由一個(gè)放射性原子核來(lái)控制。當(dāng)原子核發(fā)生衰變時(shí)，它會(huì)釋放出一個(gè)粒子觸發(fā)毒氣罐的開(kāi)關(guān)，這樣毒氣釋放，貓就會(huì)被毒死。

　　根據(jù)量子力學(xué)的理論，在實(shí)驗(yàn)者沒(méi)有開(kāi)箱進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態(tài)，換言之，箱子里的貓既是活的也是死的，對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，很難理解“既生又死”這樣的狀態(tài)，但這正是量子力學(xué)研究的領(lǐng)域。量子力學(xué)針對(duì)的是在微觀環(huán)境下的物理現(xiàn)象，在這一環(huán)境中，大家中學(xué)時(shí)候?qū)W習(xí)的經(jīng)典物理學(xué)中的規(guī)律會(huì)突然失效，微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什么薛定諤的理想實(shí)驗(yàn)中貓既能是活的也能是死的。

　　不過(guò)，一旦打開(kāi)箱子，微觀實(shí)現(xiàn)就會(huì)出現(xiàn)“崩塌”，原子核的狀態(tài)就會(huì)確定下來(lái)，此時(shí)貓是生是死也隨之揭曉答案。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，由于不能實(shí)際觀測(cè)，量子力學(xué)僅僅停留在理論之上，而缺乏實(shí)踐的驗(yàn)證。然而，今年兩位諾貝爾獎(jiǎng)得主的成就正是在這方面取得了突破。他們各自通過(guò)精妙的實(shí)驗(yàn)，使“測(cè)量和操控量子系統(tǒng)成為可能”，讓不打開(kāi)箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當(dāng)然，更重要的是，它也使量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)變得不再遙不可及。

　　不再是空想的量子計(jì)算機(jī)

　　所謂量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)基本原理實(shí)現(xiàn)信息處理的一項(xiàng)革命性計(jì)算技術(shù)。1982 年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼在一次演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的想法，當(dāng)時(shí)他發(fā)現(xiàn)，分析模擬量子物理世界所需要的計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了經(jīng)典計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的能力，而用實(shí)驗(yàn)室中一個(gè)可控的量子系統(tǒng)來(lái)模擬和計(jì)算另外一個(gè)人們感興趣的量子系統(tǒng)會(huì)非常高效，量子計(jì)算機(jī)的概念也應(yīng)運(yùn)而生。

　　量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同之處在于，對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，其基本的數(shù)據(jù)單位就是一個(gè)比特，相對(duì)應(yīng)的一個(gè)比特不是 0 就是1，而對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，一個(gè)比特可以同時(shí)表示 0 和1，這就意味著兩個(gè)比特就能表示 00、01、10、11 四種狀態(tài)。這樣，只要有 300 個(gè)量子比特，其承載的數(shù)據(jù)就能是 2 的 300 次方，這將超過(guò)整個(gè)宇宙的原子數(shù)量總和。簡(jiǎn)而言之，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將是目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無(wú)法比擬的。

　　前面的表述未免抽象，舉一個(gè)形象的例子：目前最好的多核處理器能夠解密 150 位的密碼，如果想要解密一個(gè) 1000 位的密碼，那么需要調(diào)用目前全球的計(jì)算資源才有可能實(shí)現(xiàn)。但是從理論上講，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能解決這一問(wèn)題。在量子計(jì)算機(jī)面前，目前世界上最復(fù)雜的密碼也會(huì)變得不堪一擊，這意味著互聯(lián)網(wǎng)上將不再有秘密可言，人類需要重新設(shè)立一套與現(xiàn)在完全不同的信息加密系統(tǒng)。

　　量子計(jì)算機(jī)的用處當(dāng)然不只是破譯密碼，在大數(shù)據(jù)分析的時(shí)代，對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的要求正變得愈來(lái)愈高，從語(yǔ)義識(shí)別到人工智能，都需要倚仗計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力才能完成，這也讓業(yè)界對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的誕生充滿了期待。

　　不過(guò)，雖然理論上 300 個(gè)量子比特就能賦予計(jì)算機(jī)難以想象的運(yùn)算能力，但現(xiàn)實(shí)與想象畢竟還存在不小的差距。根據(jù)清華大學(xué)交叉信息研究院助理研究員尹章琦的介紹，估算大概需要至少一萬(wàn)個(gè)量子比特才能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，“因?yàn)槲覀冃枰獙?duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行糾錯(cuò)，所以需要很多個(gè)物理比特才能獲得一個(gè)可容錯(cuò)的邏輯比特。估計(jì)需要大概一千個(gè)邏輯比特運(yùn)行 Shor 算法來(lái)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，那么物理比特至少要高一個(gè)量級(jí)，甚至可能要高兩個(gè)量級(jí)”。尹章琦所從事的正是關(guān)于量子信息與量子光學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

　　商業(yè)化的未來(lái)

　　在學(xué)界還在探討量子計(jì)算機(jī)可行性的時(shí)候，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)迫不及待開(kāi)始了實(shí)踐。早在 2001 年，IBM 就曾經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)利用 7 個(gè)量子比特完成量子計(jì)算中的素因子分解法。

　　2007 年，加拿大的D-Wave 公司就發(fā)布了號(hào)稱全球第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)——采用 16 位量子比特處理器的 Orion（獵戶座）。不過(guò)，Orion 發(fā)布后迅速被業(yè)界潑了一盆冷水，業(yè)內(nèi)人士稱，Orion 并不是真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，只是具備了一些量子計(jì)算的特性。

　　去年，D-Wave 卷土出來(lái)，發(fā)布了全新的產(chǎn)品——D-Wave One，這一次它的處理器達(dá)到了 128 量子比特，比前代產(chǎn)品大大提升，一臺(tái)售價(jià)高達(dá) 1000 萬(wàn)美元。但是，由于D-Wave 對(duì)核心技術(shù)三緘其口，學(xué)術(shù)界無(wú)法得知關(guān)于其產(chǎn)品的更多信息，質(zhì)疑之聲再起，因?yàn)槟壳澳軌驅(qū)崿F(xiàn) 10 量子比特已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成就。

　　不過(guò)，即便質(zhì)疑不斷，D-Wave 還是成功拿到了第一張訂單，外國(guó)媒體報(bào)道，美國(guó)知名的軍備制造商洛克希德·馬丁已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)了D-Wave 的產(chǎn)品并且將其用在一些復(fù)雜的項(xiàng)目上，比如F-35 戰(zhàn)斗機(jī)軟件錯(cuò)誤的自動(dòng)檢測(cè)。

　　不僅如此，D-Wave 還在今年 10 月得到了來(lái)自貝索斯以及美國(guó)中情局下屬投資機(jī)構(gòu) In-Q-Tel 總計(jì) 3000 萬(wàn)美元的投資。貝索斯的投資邏輯顯而易見(jiàn)，隨著現(xiàn)實(shí)世界的不斷互聯(lián)網(wǎng)化，他的野心自然是通過(guò)深度挖掘和分析亞馬遜積累的海量數(shù)據(jù)創(chuàng)造出更大的商業(yè)價(jià)值，而量子計(jì)算機(jī)正是實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)。

　　在D-Wave 大出風(fēng)頭的同時(shí)，老牌巨頭 IBM 也不甘落后，今年 2 月，IBM 宣布在量子計(jì)算領(lǐng)域再次取得重大進(jìn)展。新的技術(shù)使得科學(xué)家可以在初步計(jì)算中減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率，同時(shí)在量子比特中保持量子機(jī)械屬性的完整性。

　　IBM TJ 沃森研究中心的物理信息主管 Mark Ketchen 表示，IBM 目前已具備在一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持柵電極狀態(tài)的能力，“一旦數(shù)據(jù)差錯(cuò)降低到足夠小，我們就能把許多柵電極組合在一起，從而得到一個(gè)完美的量子位，這表明我們已經(jīng)拿到了入場(chǎng)券，并可以開(kāi)始真正制造一些東西了。”

　　當(dāng)然，量子計(jì)算機(jī)要想真正實(shí)現(xiàn)還有很長(zhǎng)的路要走。“量子計(jì)算機(jī)的第二步是進(jìn)一步提高量子比特?cái)?shù)目到 10 這個(gè)量級(jí)，第三步就是到 100 乃至 1000 這個(gè)量級(jí)。第四步是實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的量子計(jì)算，最終就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。”尹章琦說(shuō)，“目前我們剛剛走到第二步。”不過(guò)，隨著像 IBM 這樣老牌巨頭的發(fā)力，以及貝索斯這樣投資人的介入，量子計(jì)算機(jī)的真正實(shí)現(xiàn)或許離我們已經(jīng)并不遙遠(yuǎn)。

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