[新智元導(dǎo)讀]學(xué)術(shù)頂刊 Nature 刊文，以《2017年將是量子計算機(jī)從實驗室走進(jìn)現(xiàn)實》為題，梳理過去一年量子計算機(jī)相關(guān)進(jìn)展，并預(yù)計2017年該領(lǐng)域值得期待的突破。

　　量子計算長期以來都被認(rèn)為是20年以后才會實現(xiàn)的技術(shù)。但是，2017可能是這領(lǐng)域改變其“僅限于研究“的印象的一年。

　　計算領(lǐng)域的巨頭谷歌和微軟最近聘請了大量的重要人物，并且為剛開始2017年設(shè)置了一些具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。他們的野心反映了一個廣泛的現(xiàn)象：量子計算正在從純粹的科學(xué)轉(zhuǎn)變到工程建造。初創(chuàng)企業(yè)和學(xué)術(shù)研究實驗室中也遇到了類似的情況。

　　”人們是真的在建設(shè)一些東西“，馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家Christopher Monroe說，”我從來沒見到過這樣的現(xiàn)象，它（量子計算）已經(jīng)不僅僅是科學(xué)研究了。“Christopher 同時是初創(chuàng)企業(yè)IonQ的聯(lián)合創(chuàng)始人，這家企業(yè)創(chuàng)建于2015年。

　　谷歌距離通用的量子計算機(jī)又前進(jìn)了一步

　　谷歌在2014年開始研究基于超導(dǎo)超導(dǎo)的量子計算機(jī)。谷歌希望在今年，或者稍晚一些的時候，能夠超越最強(qiáng)大的“傳統(tǒng)”計算機(jī)所能做到的計算能力，這一里程碑式的成就被命名為量子霸業(yè)。谷歌的競爭對手——微軟，把賭注壓在了一個非常吸引人但是還未經(jīng)驗證的概念——拓?fù)淞孔佑嬎闵希⑾Ｍ蔀槭讉€展示這一技術(shù)的公司。

　　量子計算初創(chuàng)企業(yè)也是一片火熱的景象。 Monroe計劃在2017年年初啟動招聘。耶魯大學(xué)的物理學(xué)家、初創(chuàng)企業(yè)Quantum Circuits 的聯(lián)合創(chuàng)始人Robert Schoelkopf 以及IBM 應(yīng)用物理學(xué)家、Rigetti 創(chuàng)始人 Chad Rigetti 說，他們很快會實現(xiàn)關(guān)鍵的技術(shù)里程碑突破。

　　學(xué)術(shù)實驗室也處在類似的拐點(diǎn)。“我們已經(jīng)對所需要的所有的組件和所有功能進(jìn)行了演示“，Schoelkopf說。他現(xiàn)在還在耶魯領(lǐng)導(dǎo)一個小組，開發(fā)量子計算機(jī)。雖然要讓所有的組件共同工作，還需要進(jìn)行一系列的物理實驗，但是，現(xiàn)在最主要的挑戰(zhàn)是在工程上。Schoelkopf 和其他的科學(xué)家都表達(dá)了相同的觀點(diǎn)。目前最大量子位（20）的量子計算機(jī)，已經(jīng)開始在學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的實驗室中進(jìn)行測試。比如，位于奧地利的因斯布魯克大學(xué)中，由Rainer Blatt所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就在做這件事。

　　深入微軟拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)

　　2016 年 10 月，微軟研究院量子結(jié)構(gòu)和計算組成員、數(shù)學(xué)家和計算機(jī)科學(xué)家 Alex Bocharov 向 Nature 介紹了微軟“拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)”相關(guān)的研究及進(jìn)展。

　　傳統(tǒng)的量子計算機(jī)把信息轉(zhuǎn)化成量子位進(jìn)行編碼，有兩種狀態(tài)：0或1。但是，組成量子計算機(jī)的”量子位“也可能會處于疊加（superpositions）的狀態(tài)，也就是同時處于1 或者同時處于0。

　　這種疊加，加上量子位分享量子狀態(tài)的能力，也就是通常所說的糾纏（Entanglement），能夠讓計算機(jī)立刻執(zhí)行任何形式的計算。并且，計算的數(shù)字，從理論上說，是每一個增加的量子位的兩倍，這會帶來指數(shù)級的計算速度增長。

　　這種速度能讓量子計算機(jī)執(zhí)行任何具體的任務(wù)，比如在大型的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索，或者對大型數(shù)字進(jìn)行量子分解，這些在傳統(tǒng)的速度較慢的計算機(jī)中可能是無法實現(xiàn)的。量子計算機(jī)也可以轉(zhuǎn)變成一個研究工具，演示量子模擬，讓化學(xué)家能夠使用此前沒有預(yù)料到的細(xì)節(jié)來理解反映，或者能讓物理學(xué)設(shè)計出能夠在室溫下實現(xiàn)超導(dǎo)的材料。

　　”我跟學(xué)生說，2017年將會成為轉(zhuǎn)折之年“。

　　關(guān)于如何建造量子位，現(xiàn)在有許多非常有說服力的建議。但是現(xiàn)在有兩個主要的方法逐漸脫穎而出，這要?dú)w功于他們儲存信息的能力和不斷增長的持續(xù)時間，雖然它們的量子狀態(tài)還是很容易受到外部條件的干擾，并且在量子邏輯門操作上還有困難。

　　其中一個方法是Schoelkopf 參與提倡的，得到谷歌、IBM、Rigetti和Quantum Circuits 的采用，包括在超導(dǎo)循壞中，把量子狀態(tài)當(dāng)成震蕩波流進(jìn)行編碼。另一個方法是IonQ和一些主要的學(xué)術(shù)實驗室在追求的，即，把量子位編碼為單一的離子，離子處于真空聚集槽的電磁場中。

　　加利福尼亞大學(xué)的John Martinis 在2014年帶領(lǐng)團(tuán)隊一起加入谷歌，他說，超導(dǎo)技術(shù)的成熟讓他的團(tuán)隊可以對量子霸業(yè)設(shè)置一個大膽的目標(biāo)。

　　John Martinis的團(tuán)隊計劃使用一個“混亂的”（chaotic）量子算法來實現(xiàn)這一目標(biāo)，這一算法的產(chǎn)出看起來像一個隨機(jī)的輸出。如果他們的算法在一個由相對較少的量子位組成的量子計算機(jī)上運(yùn)行，一個傳統(tǒng)的機(jī)器能預(yù)測最后的輸出，但是，一旦量子機(jī)器的量子位接近50，即使是大的傳統(tǒng)超級計算機(jī)也會難以保持速度，John Martinis的團(tuán)隊預(yù)測。

　　量子計算機(jī)首次實現(xiàn)高能物理計算模擬

　　2016 年 6 月，Nature 刊發(fā)的一篇論文，描述了奧地利因斯布魯克大學(xué)的實驗物理學(xué)家 Esteban Martinez 和他的同事通過模擬一項高能物理實驗，證明了量子計算概念的可行性。具體說，這項物理實驗將能量轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，生成了一個粒子（電子）和它的反粒子（正電子）。

　　實驗中，研究人員使用的原型量子計算機(jī)在真空環(huán)境下，把 4 個離子束縛在電磁場中排成一排，每個離子都編碼了一個量子位。4 個離子中的每一個都代表著一個位置，分別對應(yīng)著兩個粒子和兩個反粒子，離子的自旋方向表示對應(yīng)的粒子或反粒子是否有在相應(yīng)位置出現(xiàn)。研究人員利用激光束操控這些離子的自旋，由此 4 個量子位就組成了一個簡單的原型量子計算機(jī)。

　　這一計算的結(jié)果沒什么用，但是他們的嘗試說明了，現(xiàn)在有一些任務(wù)是量子計算機(jī)無法攻克的。這是一個重要的心理暗示，會吸引更多的潛在消費(fèi)者的注意力。Martinis說。“我想，這會是一個對未來有重要意義的實驗。”

　　但是，Schoelkopf 并沒有把量子霸業(yè)看成是一個”非常有趣或者有用的目標(biāo)“，其中部分原因是由于它避開了糾錯的挑戰(zhàn)，也就是系統(tǒng)在外部環(huán)境對量子位輕微的擾動后，恢復(fù)其信息流動方向的能力，隨著量子位數(shù)量的增加，這會變得越來越難。反之，Quantum Circuits 聚焦于從一開始就打造能糾錯的機(jī)器。這要求在更多的量子位基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，機(jī)器也能夠運(yùn)行更加復(fù)雜的算法。

　　Monroe 希望能盡快實現(xiàn)量子霸業(yè)，但這并不是IonQ的主要目標(biāo)。這家初創(chuàng)企業(yè)的目標(biāo)是建造擁有32或者64個量子位的計算機(jī)，相對超導(dǎo)電流的技術(shù)，其離子井的技術(shù)也會讓其設(shè)計變得更加靈活，更加可擴(kuò)展。他說。

　　同時，微軟的拓?fù)淞孔佑嬎阋蕾囉谖镔|(zhì)間的刺激。通過量子位之間像辮子一般的糾纏進(jìn)行信息的編碼。儲存在這些量子位中的信息對外部的干擾會有更強(qiáng)的抵抗力，同時也能讓糾錯變得更容易。

　　沒有人能夠創(chuàng)造出這種刺激所需的物質(zhì)狀態(tài)，更不用說拓?fù)淞孔颖忍亍５俏④浺呀?jīng)雇用到該領(lǐng)域雇用了四位領(lǐng)軍人物，包括蘭代爾夫特大學(xué)的 Leo Kouwenhoven，他創(chuàng)造出似乎是正確的刺激類型。Kouwenhoven 說：“我跟我的學(xué)生說，2017 年是轉(zhuǎn)折之年。”他將在代爾夫特校區(qū)建一個微軟實驗室。

　　其他的研究者卻更加謹(jǐn)慎。“對于未來，我不會在媒體上做什么預(yù)測，”美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局的Blatt。 David Wineland說。他領(lǐng)導(dǎo)了一個研究離子井的團(tuán)隊。他拒絕做任何預(yù)測，他說：“我對長期的發(fā)展非常樂觀，但是長期指多長，我不知道。”

　　谷歌通用量子計算機(jī)進(jìn)展：在量子化學(xué)領(lǐng)域取得實質(zhì)突破

　　2016 年6 月，位于加州圣芭芭拉的谷歌研究實驗室、加州大學(xué)圣芭芭拉分校和西班牙巴斯克大學(xué)的研究人員在《自然》雜志上介紹了他們合作研發(fā)的量子計算機(jī)原型。

　　谷歌的原型產(chǎn)品結(jié)合了兩種量子計算技術(shù)。其中一種技術(shù)使用針對特定問題、有著特殊排列的量子位去設(shè)計計算機(jī)數(shù)字電路，這類似于傳統(tǒng)微處理器中的訂制數(shù)字電路。

　　在研究中，谷歌的團(tuán)隊采用了 9 個固態(tài)量子位。這些量子位由十字形的鋁制薄膜制成，寬度約為400微米。隨后，這些量子位被固定在藍(lán)寶石表面上。研究人員將這些鋁制薄膜的溫度降低至0.02開爾文（約 -273℃），使金屬成為超導(dǎo)體，電阻完全消失。利用這些超導(dǎo)態(tài)的量子位，研究人員可以向其中編碼信息。

　　相鄰量子位的互動由“邏輯門”控制。邏輯門利用數(shù)字方式去操控量子位，使其進(jìn)入某種狀態(tài)，從而得出問題的解。在演示中，研究人員對量子位進(jìn)行排列，使其模擬有著一定自旋態(tài)的磁性原子陣列。這樣的問題已經(jīng)在凝聚態(tài)物理中得到了充分研究。研究人員隨后可以通過量子位去確定總勢能最低的原子自旋態(tài)組合。

　　谷歌的設(shè)備目前基本上停留在原型產(chǎn)品階段，但研究人員表示：憑借誤差修正，其技術(shù)可以成為通用算法，拓展至任意的大型量子計算機(jī)；在未來幾年中，超過40個量子位的設(shè)備將成為現(xiàn)實。

　　緊接著，在 2016 年 7 月，谷歌量子軟件工程師 Ryan Babbush 在 Google Research 發(fā)表博文，介紹了谷歌量子計算研究的最新進(jìn)展——谷歌與哈佛大學(xué)的 Aspuru-Guzik 團(tuán)隊以及來自勞倫斯伯克利國家實驗室、加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校、塔夫茨大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院眾多研究機(jī)構(gòu)的研究人員合作，進(jìn)行了首個完全可擴(kuò)展的分子量子變相模擬（計算）。

　　在這個實驗里，研究人員采用了“可變量子本征求解（variational quantum eigensolver，VQE）這一方法，該方法可以理解為是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的量子模擬。經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一張參數(shù)圖，這是為了建立傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型；而 VQE 這張參數(shù)圖（例如量子線路），是為了建立量子數(shù)據(jù)模型（例如分子波函數(shù)）。

　　通過使用 VQE，研究人員對氫氣分子H2 的能量全景圖（energy landscape）進(jìn)行了量子計算。他們將 VQE 的表現(xiàn)與另一種用于傳統(tǒng)化學(xué)量子算法——相位估值算法（PEA）進(jìn)行比較。使用 VQE 實驗計算出的能量值表示為 H - H 鍵長度的函數(shù)，如下圖所示。

　　可以看出，在實驗中 VQE 能取得這么高的表現(xiàn)，是因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練回路（training loop） 幫助建立實驗最佳線路參數(shù)，表示存在系統(tǒng)控制誤差的情況下的波函數(shù)。

　　這可以理解為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn)有一個權(quán)重錯誤，例如，顯示的權(quán)重只有實際權(quán)重的一半。因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重是通過一個閉環(huán)的訓(xùn)練程序確定的，可以彌補(bǔ)系統(tǒng)誤差，該硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠承受這樣的瑕疵。因此，可以期待 VQE 在不用進(jìn)行量子糾錯的情況下解決經(jīng)典的棘手問題。

　　量子理論的出現(xiàn)使定性或描述性的化學(xué)模擬向定量或預(yù)測性化學(xué)模擬轉(zhuǎn)變。即使面臨許多理論和實驗上的挑戰(zhàn)，量子理論仍然給這個領(lǐng)域帶來巨大的變革，今后的應(yīng)用還會有更多更多。

　　全球首臺可編程的量子計算機(jī)

　　2016年 8 月 4日出版的《自然》封面論文，介紹了美國馬里蘭大學(xué)量子信息和計算機(jī)科學(xué)聯(lián)合研究所（JQI）的一款可編程小型量子計算機(jī)。這也是首個可編程、可以在軟件調(diào)整設(shè)置的量子計算機(jī)。

　　計算體系結(jié)構(gòu)：a。 軟件到硬件操作層級；b。 硬件配置。

　　這項研究是建立在幾十年來捕捉并控制離子的工作基礎(chǔ)上。研究人員采用標(biāo)準(zhǔn)的方法移動離子，但又引入了全新的控制和衡量方式，包括使用激光移動離子，以及專門開設(shè)了檢測通道，檢測離子的光學(xué)性質(zhì)。

　　研究人員測試了量子計算機(jī)最常用于解決的 3 種問題。論文第一作者、JQI 博士生 Shantanu Debnath 表示，這臺“原型機(jī)”能夠靈活適用于解決多種不同的任務(wù)，而這一突破非常關(guān)鍵。

　　Debnath 表示，通過直接將任何一對量子比特連接起來，研究人員可以讓量子計算機(jī)執(zhí)行不同的算法。雖然目前只有 5 個量子比特，但 Debnath 認(rèn)為他們已經(jīng)具備知識，可以將原型機(jī)擴(kuò)展。

　　量子化學(xué)是量子計算能夠提供大幅度加速的一個有前途的領(lǐng)域。由于簡化了預(yù)編程過程，該研究在技術(shù)上有不錯的進(jìn)步，能夠更快計算出很多復(fù)雜的量子化學(xué)問題。