【前沿观察】量子计算竞赛的号角已吹响
来源：硅谷动力，作者：纯钧
原标题：为什么说量子计算竞赛的号角已吹响？
据IBM中国发布的消息，从5月4日起，通过云服务，所有对“量子计算”感兴趣的人都可以接触到位于其纽约实验室中的量子处理器。它是一台由5个超导量子位组成的量子处理器，现在安置在美国纽约州的IBM T.J.Watson研究院中。这台量子处理器是IBM量子架构的最新研究成果，它可扩展成更大规模的量子系统，用于构建通用量子计算机。
任何想要来一睹量子运算真容的人都可以试试。
IBM的研究员在纽约YorktownHeights的实验室建了一台有5个量子位的量子计算机，5月4日宣布推出一项新的在线服务，将这台量子计算机开放给所有人。通过简单的软件界面，你就可以经由互联网使用这台量子计算机，当然你也需要了解量子计算的基本知识。
杰瑞·周（Jerry Chow）带领的IBM量子计算机团队，当日启动了量子运算的网页界面，让外部的程序员和研究者通过算法来测试这块量子芯片。周对记者表示，“尽管量子计算云服务的主要目标人群是科学家和学生，但其实任何想要来一睹量子运算真容的人都可以试试。”虽然可能只是管窥一斑，但是周还是想让普罗大众，对这款颠覆型云端计算机的投入使用，以及之后带来的风起云涌有所准备。“我们想让大众开始拥有另一种思维，开始学习如何使用量子计算机编程。”
虽然目前对该技术感兴趣的人群，还集中在科研人员和在校学生，但IBM决定将量子计算平台向所有普通公众开放，就是希望将量子计算普及给更多人。通过简单的软件界面，人们就可以经由互联网使用量子计算机。这台量子计算机并不适合普通人的日常使用，对正在开发量子计算机的研究人员而言，这是件大事，科学家和科研社区有望加速科技创新，在该领域激发出更多的前沿应用。
IBM的目的也包括利用该服务展示关于量子计算机的研究成果，让第三方来进行验证。在与快速发展的量子计算技术打交道时，这一点尤为重要。不过，量子计算技术的先驱、亚琛工业大学量子信息研究所教授大卫·迪文岑佐(David DiVincenzo)认为，IBM的服务将带来更多。他表示：“我认为，有人能从量子计算机的行为中发现更多信息，而量子计算机的开发者可能从来没有意识到这些。”
量子计算机与传统数字计算机的天壤之别
IBM研究院高级副总裁兼院长ArvindKrishna表示，“量子计算机与现在的计算机存在天壤之别，这种区别不仅体现在外观和组成方面，而且更重要地体现在用途方面。
为什么量子计算机和传统数字计算机是完全不同的？拿杰瑞·周的话讲，传统经典的计算机，只能识别两个状态，0或1，或者说开或关。量子计算机所运用的是一种把0和1相结合而形成的复合状态。在某一时间点，这个状态可能是1也可能是0，或者是他们两者之间的某个状态，也可以说这种状态是一种即是1又是0的不确定状态。
传统计算机的输入态和输出态都是经典信号，输入信号序列按一定算法进行变换，由计算机内部逻辑电路来实现有关的信息分析。因为本征态的的两个区间限制，传统计算机只能在0和1两个比特之间进行正交变换，每一步都有既定的正交态路线，且不能出现对应的路线叠加。也就是说传统计算机的通用计算是在一个具有限制的框架中进行的，而你不能打破这个框架，不然就毁掉了整个系统机制。
而量子计算机与传统计算机的不同就在这里，量子不像半导体只能记录0与1，它可以同时表示多种状态。因为这个自带优势，量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交。
从某种程度上来说，量子计算对传统计算方式做了一个很大的扩充，它可以在传统的算法基础上融合更多的数据信息，并不断的整合叠加，且不用按既定的路线走。而在此基础上，再借由量子之间的相干性，整体的传输、分析速率就有了一个超倍的提升。
量子电路纠错很困难，却又非常必要
IBM团队解决的最困难的问题之一就是“量子纠缠态”。
现代储存与通信系统，一旦离开了纠错功能，都将无法运转。核心解决办法是在保留原数据结构的基础上，添加用于纠错的冗余信息，这样就可以很容易的判断数据是否损坏，而且在可能情况下利用冗余数据进行修复，而避免让对方重新发送。
传统通信中的常用的方式是抓取一组数据，比方说4个，通过对它们执行一系列的数学运算（通常是异或运算），来生成一个额外数据。一共5个数据同时发送给接收者后，再执行相同操作。接收方执行相同操作后，是否得出了相同的第五个数据，即可判断原有4个数据中是否存在错误。因为计算顺序是已经预先设定好的，一旦出现错误，也可以通过第五个数据来进行修复，而代价仅仅是占用四分之一的信道容量，就可换取几乎没有错误的数据传输。
量子计算同样面临纠错问题，而且比传统计算更难解决。量子电路纠错变得非常困难，同时却又非常必要。在传统计算机中，第一个处理器只执行最少量的（甚至不执行）纠错任务。而量子计算机则在一开始就要执行非常复杂的纠错。不光是翻转一个比特那么简单，你得知道不同量子位是如何随时间变化的，还要在测量它们之前纠正这种变化。
这到底有多难？一个典型的量子位的生命周期为50微秒，外加20微秒的相干时间。这是啥意思呢？这就意味着一旦量子位被设定好，你必须在第一个20微秒内执行纠错，并在接下来的50微秒内完成某一阶段的计算任务。听起来还不算太糟哈？但是…总是有个但是，操控量子位的方式，不管是执行逻辑运算还是纠错，都需要携带了能量的微波脉冲。可以是短时尖脉冲，也可以是长而缓的脉冲，只要是在相同的脉冲区域。不幸的是，短时尖脉冲会导致一系列问题，所以，典型的脉冲长度是50-60纳秒。在50微秒内搞定所有事情的前提下，这意味着有总共需要运行1000次的计算和纠错。这就让上面提到的问题难上加难了。
“蓝色巨人”把这个“难上加难”的问题解决了！
通过对系统做大量简化，IBM的研究团队将一个由4个量子位组成的数据簇，与另一个单独量子位进行耦合，称之为“综合比特”。这种“综合量子位”的状态取决于内部其他量子位状态。这种连通性被用来检测哪个量子位引发了错误，从而在计算完成之前对错误进行修正。
IBM的概念听起来挺玄乎，其实真正的工作机制是这样的：量子位相当于在电子器件中来回振荡的电磁波，与邻近量子位释放的少量电磁波进行混合及耦合。如果这两个量子位状态相同，电磁波则处于同一相位，并向综合量子位发出很强的信号。同样的原理，另一组的两个量子位也将它们的信号组合发给综合量子位，这就是前文中所提到的“量子干涉”。
IBM的系统最核心的地方在于，它可以在计算过程执行的同时进行纠错。简单的说：我们不需要读取量子位值，然后再去纠错。而是抢先测量到某个可能产生导致错误的电磁波的量子位，在干涉发生前就阻止它。
研究人员虽然不知道每个量子位的状态，但他们知道如何翻转，以及量子位的相互驱动翻转率。他们就用这个原理来进行纠错。由于量子计算机的运算原理与传统计算机大相径庭，所以它可以快速的处理一些需要同时运用数以亿计的变量的运算任务，比如运算化学中分子间的相互作用，在这点上，传统的计算机难以望其项背。
同时，量子计算机也精于机器学习，在比如新药研发、新型信息安全，以及真正能够思考推理的智能计算机等领域都能大展拳脚。工作原理不同，自然使用方法也必然不同。所以贴心的IBM同时也发布了一份指导你进行量子计算的网络教程，只需要高中的数学基础和一点点编程背景就能看懂。
量子计算机并不遥远，看它带给我们哪些的好处：
1. 安全高效的隐私保护
因为量子不可克隆的原理，用户所在网络上关于搜索、支付等的私密信息任何人都不会得到保存备份，换而言之，量子计算机如果真的在市场上普及之后，基本上就是为用户带去了一个阅后即焚、搜后即删、输后即消的完美体验。
2. 精准无误的天气预报
量子计算机可以帮助建立更好的气象模型，让我们更深入地了解人类如何影响环境，并帮助我们确定现在能够采取哪些措施，以便能预防灾难发生。
3. 新型产品的发现
沿用了来自于量子力学的实际应用理论，量子计算机可以在多个与之相关的领域贡献自己的核心优势，比如化学、物理、生物等学科，到时，新药品的发现、新元素、新生物的研究在精确的高效分析下都会有一个质的提升。
4. 解决道路拥堵
量子计算机可以简化空中和地面交通控制的工作量，以超快速超高效的计算方式在微秒内迅速计算出最佳行驶路线。如果你计划公路旅行，期间要在10个不同的地方停留，普通计算机可能需要单独计算所有可能路线的长度，然后筛选出最佳路线。而因为量子计算机可以多线叠加，所以它可以不同时计算所有路线的长度。
5. 进化人工智能
量子计算机的可以在传统计算机的基础上为人工智能的进化学习带来一个飞跃和提升，它可以在超能的基础上让机器学习变得更为超效。比如它可以让Watson一样的人工智能形态提前具备多项的逻辑分析能力，再比如它可以通过自我纠错功能自主纠正程序中出现的乱码以及出现在机器人身上的恶意程序代码等。
6. 助益商用
量子计算机一旦在技术上实现突破以后，必定能在医疗、金融等方面带来很大的助益，而在与Watson一样的智能形态规划下，它可以进一步升级到一个近乎完美的状态，瞬间解决每个领域所遇到的棘手难题。
7. 军事
量子计算机可以比普通电脑或人类更为高效快速的筛选大量数据，并在可用的相关信息内做进一步数据分析，它可以丢掉那些用途细微的信息，加强主导数据信息的延展分析。而具有不可克隆性的自身优势也可以让它在卫星通讯上有一个良好的军事保障。
量子计算机是下一个科技的拐角点，它所能带来的影响也并不是我们这一点信息就能完整说完的。而就目前的市场发展现状来看，一切都还只是一个开始，量子计算机在技术上仍然有很长的一段路程要走。
群雄逐鹿，竞赛的号角已经吹响
Google在去年建立了一个新的量子芯片开发实验室，然而一台通用型量子计算机不是哪家公司能够一两天就能开发出来的，都需要时间。一台真正实用意义上的量子计算机通常需要成千上万，甚至百万级的量子位，因为纠错编码需要极大的计算量。
IBM当日发布的量子芯片拥有5位量子位。Google研发的拥有9位（Google的位数虽高，但在业界对其通用性这点并不认同，它只能解决特定的问题）。周的团队也瞄准了一些非通用量子处理器的应用，在量子计算领域，另辟蹊径。这种被称为模拟量子计算机的技术只需要较少的纠错代码，因此就不需要大量的量子位。
虽然这种技术只能针对某些特定的问题，但是它也能大大推动诸如能源和材料研究的化学仿真，以及机器学习这些领域的发展。麻省理工学院副教授斯科特·艾隆森（Scott Aaronson）表示，这是个很值得研究的方向。当量子计算机发展到50量子位的时候，就能实现“量子称霸”，超过世界上任何传统计算机，能够解决任何传统计算机解决不了的问题。
作为竞争者，另一边的Google量子计算机团队也瞄准了模拟量子处理器，并且预估在几年内将能生产100量子位的芯片。其他的量子计算专业团队，比如马里兰州大学也在致力于模拟量子处理器的开发。
说起这场地盘争夺战的现状，周表示，其实Google的目标和我们差不多。他觉得竞争是件好事，将能够使模拟量子处理器的用途更加清晰。“已经有很多公司取得了这项技术的知识产权，我认为来自各个团队更多的工作投入，将会使这项技术的前景更加明朗。”
在这项炙手可热的技术上，IBM略胜一筹
欧盟已经计划于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目；中国于2013年6月8日也成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验； 2011年4月，一个成员来自澳大利亚和日本的科研团队在量子通信方面取得突破，实现了量子信息的完整传输……可见，很多国家早几年都已经量子计算机技术方面有浅层的科研效果，可见其所具备的潜力之大。所以站在既定的市场发展角度来看，它的普及也是必然的。
它涉猎的领域广泛，成熟后，能够达到惊人的工作效率，能够解决很多传统计算机几乎不可能解决的问题，这项技术变得如此炙手可热。
在量子计算机领域的沙场上，IBM，Google，微软以及其他很多专业团队都在致力于量子计算机的研发。
然而，并不是所有的团队都能像IBM生产出这种芯片的，而且IBM仅仅向少数几个合作伙伴提供这款芯片，加拿大滑铁卢大学量子计算机中心的科学家戴维·克里这样说道，能够开发一款量子芯片，并且24小时在线稳定工作，“我不知道还有什么量子计算机系统能够达到这种稳定性”。
IBM当日也同时发布了第二款新型量子芯片的细节。周的团队声称，它比以前表现出了更好的纠错性，这一点对制造真正意义上能运用于通用领域的量子计算机至关重要。而这样一台通用型量子计算机一直没有出现，主要原因就是科学家没有掌握如何稳定量子的状态来表达数据。尽管IBM的论文并没有完全公开，但是它发布的芯片已经表明，在这场与Google的竞赛中，IBM已经先胜一筹。
结语：迅猛发展的量子计算将把计算能力提升到我们如今不敢想象的水平。量子云计算诞生之际便是我们开始见证奇迹之时。通过允许通过手持终端访问IBM的试验性量子系统，IBM Quantum Experience将帮助研究学家们和科研社区加速在量子领域的创新，以及发展试用该科技的新应用。”
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