【科技资讯】科学家认为量子计算进入实用阶段 前景可期
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在过去的几年里，我们让很多事情运作起来。当然，老天爷仍有可能不让建造量子计算机的梦想成真，但我认为我们成功的概率很大。
当被问及在谷歌工作最喜欢什么时，物理学家John Martinis并未提到有名的走廊按摩座椅或位于加利福尼亚山景城的公司园区内几乎随处可得的免费点心。相反，他惊叹于谷歌对追求高远目标遭遇失败后的容忍。“如果尝试的每个项目都成功了，他们会认为是自己不够努力。”
Martinis正需要这种耐心。9月，谷歌将他和他的20人研究团队从加州大学圣塔巴巴拉分校招募进公司，并给他们安排了一项众所周知的艰难任务：建造量子计算机。其原理是利用量子世界的“怪癖”开展普通计算机在宇宙“有生之年”都无法完成的计算。
“成功的概率很大”
自从上世纪80年代早期被提出后，建造量子计算机的愿景让Martinis和很多物理学家深感沮丧。在实践中，这种计算机所必需的量子效应非常脆弱且很难控制。如果来自外界的杂散光子或振动以错误的方式“撞击”该设备，计算将会崩溃。即使到了今天，经过30年的努力，世界上最好的量子计算机也几乎无法完成一些学校里的问题，比如寻找21的质数因子。答案是3和7。
研究进展是如此的缓慢，以至于对此持怀疑态度的人常常将量子计算同聚变能作比较：虽是革命性技术，但似乎总是遥不可及。
不过，如今事情或许有所转机。量子领域的很多物理学家认为，30年的艰难前行可能最终到了将要收获的时候。如今，他们不但能产生持续数分钟而非几纳秒(十亿分之一秒)的量子比特，而且当来自外部的扰动或其他原因导致错误发生时，其在修正系统方面更加得心应手。
与此同时，量子软件工程师正在开发一些能收回机器研发成本的应用，比如利用其寻找工业生产过程所需的新催化剂。
由于建造这种有用且有利可图的量子计算机前景可观，因此吸引了谷歌、IBM、微软以及其他公司加入这场游戏。一些学术团体也在朝着实践方向推动这项技术。例如，在荷兰代尔夫特理工大学，由政府资助的量子技术中心正将研究人员聚集起来，发展这项高科技产业。该校物理学家Ronald Hanson表示，他可以在5年内把通用量子计算机的模块建立起来，并在十多年后建造出功能完善的示范机，尽管它有可能很笨重且效率不高。
Martinis则表示，自己并未有固定的时间表，但对此同样乐观。“在过去的几年里，我们让很多事情运作起来。当然，老天爷仍有可能不让建造量子计算机的梦想成真，但我认为我们成功的概率很大。”
“实际上要困难得多”
科学家在上世纪70年代和80年代早期奠定了量子计算的概念基础。其中，最著名的当属已故美国物理学家Richard Feynman。他关于这个主题的报告发表于1982年，并被普遍认为由此开创了该研究领域。在该领域，最基本的观点是传统计算机为“非此即彼”模式，也就是说编码给定信息的微小硅电路就像一个开关，要么打开，要么关闭。这意味着其可以代表诸如“正确”还是“错误”或者二进制算法中1和0这样的选择。
但在量子领域，“非此即彼”要让步于“同时存在”模式：如果按顺时针和逆时针旋转的电子分别代表二进制中的1和0，那么“统治”这些粒子的亚原子定律使得一个特定量子比特同时为1和0成为可能。
引申开来，一系列包含了量子计算机存储信息的量子比特能以每一种可能的1和0组合形式同时存在。当传统计算机不得不依次尝试每种组合时，量子计算机可同时处理所有这些组合。而且，由于组合数随着存储容量的尺寸呈指数级增长，量子计算机的运算速度也有望比传统计算机快很多。
1994年，美国数学家Peter Shor发明了一种算法，可让量子计算机快速分解较大数字的因子。对于标准计算机而言，这种分解法会耗费大量时间，这也是为何其成为被广泛使用的加密技术的原因。而Shor的算法意味着量子计算机原则上能破解这种加密方式。两年后，贝尔实验室的Lov Grover设计了另一种表明量子计算机如何大幅提高大规模数据库搜索速度的算法。
对这些重要应用的演示很快吸引了研究人员和投资机构的注意。随之而来的还有可正常工作的量子计算机将在几年内问世的断言。研究人员通过设计为解决特定问题量身定制的特殊用途量子设备而在这方面取得了一些进步。不过，要实现最终目标——建造可通过编程执行任何算法的通用量子计算机，实际上要困难得多。
即使是最稳固的量子比特，错误也在所难免。普通计算机也会出现这种情况，但其对于量子计算机而言尤其麻烦，因为这些错误会随着量子比特数的增加而呈指数级增长。近年来，一个主要问题在于量子比特通常每运行10个运算步骤便会出现约一处错误，而可用的纠偏方案并未跟上出错的步伐。
不过，今年4月Martinis和团队宣称他们发明了一种被称为“Surface Code”的量子计算机纠错技术。在公开发表的一篇论文中，该团队描述了其如何利用该技术使量子比特的出错率保持在百分之一。
“这正是自己梦想中的工作”
伦敦大学学院实验物理学家John Morton认为，对量子比特出错率的改进以及代码处理错误能力的提高，已经极大改变了该领域的发展前景。“现在，我们可以把焦点放在量子计算机的升级上。这是一个令人激动的时刻。”
Hanson对此表示认同，“目前已没有根本性的障碍”。在荷兰量子技术中心，Hanson正打出广告招募5位教授级电子工程师，并寻找40位技术员和研究者。这样的话，他便能将量子计算机从实验室研究升级为一项实用技术。他们的主要任务将是研究如何制造大规模量子比特阵列、控制量子计算和读取结果，以及如何将量子电路和位于同一块芯片上的传统微电子电路连接起来。Hanson和同事正努力研发嵌入微小半导体晶体的自旋量子比特，也就是量子点，以期未来5年能建造出17个量子比特阵列的量子计算机。
不过，来自瑞士联邦理工学院的理论物理学家Matthias Troyer认为，实现上百个量子比特的目标并不容易，成本也会很大。据他估算，假设生产量子芯片的难度至少同半导体芯片相当，解决如何将大量量子比特连接、控制并制造出来等一系列问题，需要花费100亿美元。为此，在过去的3年里，Troyer致力于寻找量子计算的“杀手级应用”，这将使开发量子计算机所付出的成本有所回报。在他看来，其中的两个经典应用——破解密码和搜索数据库都不够理想。在不久的将来，更富有成效的应用将是对材料和分子中的电子进行建模，而这对于现在的超级计算机还很困难。
其他“杀手级应用”可能是寻找新的高温超导，或者改进用于从空气或工业排放气体中捕获碳的催化剂。“所有这些都是非常重要的问题。如果能在这些方面有所突破，这100亿美元将会轻而易举地归你所有。”
但就目前而言，Martinis和该研究领域的其他“老兵”都提醒说，量子计算仍处于早期发展阶段。“今天的量子计算相当于二战结束后那几年里的传统计算机。当时，每个设备都处于实验室研究阶段，且均由手工制作而成。”Martinis表示。不过，在多年来致力于完善量子比特后，Martinis非常高兴最终能将精力放在建造可真正解决实际问题的量子计算机上。“谷歌为那些解决硬件问题的科学家起了一个新名字——‘量子工程师’。”Martinis说，而这正是自己梦想中的工作。
（来源：中国科学报，作者：闫洁）
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