此刻,美国伊利诺伊州的一个大型十字路口,车辆穿插不息,来往的人很少会意识到,他们经过的地方正是时下蓬勃发展的美国量子信息技术研究处,同样在中国合肥高新区的云飞路上,来往的科技开发人员和过客,也难以意识到,量子信息技术正在这条小道附近发芽。

 

量子信息的应用

在美国州际公路下方,处于纠缠态的光子(以光速运动的粒子)正构成美国最长的陆基量子网络之一的光纤电缆,往返传输到隔壁镇的美国阿贡国家实验室。

量子计算:一个即将破灭的泡沫?-量子客
图1|光子传输过程(来源:Getty)

而此刻,研究人员想通过这83公里长的量子测试基站(和其他类似站点)来证明,你可以在一个地方编码量子态中的信息(例如在光子中),然后将其发送到其他地方,并在另一端完整地获取此信息。

当然,此举困难重重,科学家需要克服冻土、太阳辐射、车辆通行产生的振动等困难。可喜的是,一旦研究人员成功证实上述观点,他们带来的全新通信方式,将使5G这样全民皆知的技术成为过去式。

同时,其他实验室的研究人员,正在尝试将算法引入量子比特中,并在完成计算时将其正确转换。此举一旦真正的成功,那么他们将拥有一台新型的计算机——量子计算机。

 

隐藏的泡沫

多年以来,物理学家们清楚知道,量子力学原理可以彻底改变计算方式和互联网,量子比特的成熟操控可以将算法的运行时间极大减少。由于任何干扰都会破坏信息,所以稳定的光子可以在世界范围内快速传输信息,同时传输过程不会受到入侵。

对我们其他人来说,量子革命似乎已经从无聊的科学理论变成了最尖锐的前沿。但殊不知,我们甚至有可能正在经历某种量子泡沫——它也许随时会破灭。

在2017年之前,大多数量子测试都只是通过闲置的光纤电缆来执行,没有人能够让量子比特,像经典计算机那样,可靠地处理信息。

 

扑朔迷离的前进

而现在,全球有几十台量子计算机正在线运行,其中几台是软件开发者可以通过熟悉的服务器进行访问的,比如亚马逊网络服务账户。

在过去的两年中,美国已投入超过10亿美元(约合人民币66亿)的政府资金用于量子信息研究[2],量子计算初创公司也已经完成了多轮风险投资[3][4],而IBM宣布正在建造一台量子比特超过100万的计算机,而目前最多只有60个量子比特[5]。中国政府也在今年10月份,宣布国家层面的量子信息技术政策计划。

尽管发展迅速,许多在量子信息科学这个新兴领域工作的人表示,量子比特的信息处理技术尚不足以替代经典计算机和互联网,因为它不够可靠,加上人们对它的认识也还不够。

开玩笑的说,大部分人认为,与其购买带量子比特的手机,还不如买苹果仿生芯片手机。

像量子比特和其他基本粒子的应用,在多数人的概念里,永远被归类为属于科研领域,与自身很难建立关系。但其中隐秘,未来走向,我们的客观经验何曾稳定可靠过。

 

量子比特:比0和1好多了

由量子比特组成的计算机实际上是电路的集合,就像经典计算机由比特构成一样,输入值通过电路中的一系列逻辑门进行处理,每个逻辑门都会修改该值以产生输出。

如果你试图解决一个复杂的算法,例如,软件应用程序的测试。在一台经典计算机上运行,你需要将多个0和1位串在一起。但是,如果你使用量子比特运行算法,则仅需一个叠加态的量子比特,来代替所有的经典比特。

在改进量子计算和通信中,最难解决的问题是量子态的脆弱性。我们只能在测试中保护移动的量子粒子不受天气和道路振动的影响,而替代现有互联网所需的数千公里则另当别论。同样,即使在受控的实验室环境中,也没有人能弄明白如何使量子比特可靠运作。

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图2|硬币大小的IBM Falcon芯片(来源:JIBM)

正如IBM今年早些时候用27量子比特的Falcon处理器[6]所展示的那样,它们在特定类型的计算中表现良好,且主要目的是用于测试。例如,研究人员可以用已知的解决方案向他们提出问题,然后验证其答案。但到目前为止,量子比特太过脆弱以至于无法在更大的群体中可靠运行,这就将它们永远的限制在了测试阶段。

IBM量子计算实验小组表示,理论上讲,随着量子比特数量的增加,我们就能够探索更加多样化的量子电路。但现实是,“量子比特损耗”问题意味着现存的量子计算机中,每一台的其中一部分,都专用于解决计算中的错误,而不是自己执行计算。

为了解决这个问题,释放量子计算的全部潜能,一些科研人员正在研究增加纠错码,而这些纠错码已在一些经典计算机中实现。

其他人正在探索将量子物理学应用于计算中的其他途径,这些途径不涉及门和电路。一种可能是诱使量子粒子忽略干扰性的背景噪声(例如振动、温度变化和杂散电磁场),芝加哥大学的一个团队在八月份宣布[7],他们成功地实施了这种诱导。

量子退火是另一项有潜力的技术,利用量子态的波动来进行计算,D-Wave的一些商用量子计算机便使用这种方法。但是它们也遭受错误的困扰,目前为止只能有效解决特定类型的算法,例如寻找一组点之间的最短路径。

去年,大众汽车在葡萄牙里斯本的一次试验中使用了D-Wave的方法来帮助公交车避免交通堵塞。这次实验是成功的,尽管它仅限于将与会者从机场带到会议中心。

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图3|IBM量子计算实验小组的研究人员正在为量子实验做准备(来源:IBM)

此前,最臭名昭著的量子比特损耗出现在2019年10月,绰号“sycamore”的实验中。当时谷歌的研究人员宣布他们已在200秒内完成了对53个量子比特量子计算机的基准测试,这项测试需要一台经典超级计算机花费几天到10000年时间不等。

因此谷歌宣称已经取得了量子优势,量子计算机可以在不犯任何错误的前提下,比经典计算机更快地运行算法。这是量子信息科学领域的里程碑,谷歌首席执行官称之为量子计算的“你好世界(hello world)”时刻[8]。

然而,不久之后,研究人员就对这项实验发出了质疑,引起了业界争论。

麻省理工学院的物理学家Wiliam Oliver表示,量子优势不在于它是否存在,而在于它何时崩溃。大多数人都认为谷歌做到了,但是如果他们增加了几个量子比特,就不可能做到这一点。他还认为量子计算的好处不仅仅是超越经典计算机,真正的里程碑应该是量子计算能够在任意时间无误地运行任意算法。

 

风险投资和政府资金

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图4|量子研究的讨论(来源: 阿贡国家实验室)

如果存在量子泡沫,则不仅是由于sycamore式学术研究的涌现,也是私营公司同时推动开发现实世界的量子应用(如避免交通拥堵),从而加剧了泡沫地膨胀。

至少从20世纪80年代,当阿贡物理学家Paul Benioff描述了计算机的第一个量子力学模型时,我们就知道量子力学在计算上的优势了。但是,这项技术好像对于小型初创公司和大型企业集团,有着恰到好处的吸引力。

同时为苹果和IBM工作的软件系统分析师William Hurley,在2018年创立了Strangeworks公司,是为研究量子算法的开发人员提供的社区中心。他个人认为,现在是量子时代最令人兴奋的时刻。

他还表示,已有1万多名开发人员签约提交了他们的算法,并与其他人进行合作。其中,初创公司Rigetti为了测试他们的量子算法,为亚马逊网络服务的用户,提供访问他们其中一台电脑的权限。这项名为Amazon Braket的服务于8月首次亮相,其客户包括大众和美国富达投资集团。

量子信息技术是如此吸引人,以至于大型企业正在瓜分整个研究部门,将其作为保持竞争力的一种方式。摩根大通的研究人员为其业务的各个部门都开发了量子算法,从加密到期权交易的安保。

摩根大通官方表示,其目前完全处于研究模式,希望在量子优势到来时做好准备。公司对于量子计算改善期权交易持乐观态度,而在这个金融领域,速度和准确性至关重要。

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图5|IBM 欧洲研究中心AI自动化小组经理(来源: IBM)

所有这些活动都得到了美国和海外纳税人的资金支持和激励,美国国家量子计划成立于2018年,其范围广泛(它呼吁制定一个“十年计划”,以加速量子信息科学和技术应用的发展)且慷慨大方(迄今为止已批准10亿美元)。

军方也提供了许多支持,例如美国国防部高级研究计划局(DARPA)今年迄今已经拨款近2000万美元(约合人民币1.3亿),用于推动量子计算机的发展。

Rigetti声称拥有美国唯一一家专门生产量子集成电路的工厂,它吸引了政府资金和风险投资。今年3月,该公司从DARPA获得900万美元资金(约合人民币6000万),随后完成了7900万美元的C轮融资(约合人民币5.2亿)。并在8月份宣布了其在英国建造第二台量子计算机的计划,该计划也获得了英国政府1000万英镑(约合人民币8620万)的资助。

政府和军队对建设量子互联网特别感兴趣,能源部科学事务副部长在7月发表声明,他们现在有了使量子互联网成为现实的蓝图。最终,该部门计划在所有17个国家实验室中建立量子测试回路,并将它们连接起来,以创建一个基础全国性量子通信网络。

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图6|IBM量子计算机(来源:IBM)

然而,量子的不确定性代表着一场赌博,它还没有准备好解决现实世界中的问题。

事实上,如果量子比特损耗是量子物理学家的克星,那么访问挑战就是企业研究人员的祸根。每当量子计算机完成其算法的运行时,它都需要休息,否则量子纠缠将完全崩溃。量子比特的叠加态将会消失,叠加态之间相干性在经典世界中的消失过程称为量子退相干,这进一步证明了量子计算机的脆弱性。

今年9月,麻省理工学院的物理学家Wiliam Oliver和其他科学家共同宣布,他们认为普通物体如混凝土墙壁产生的无害辐射,加速了这种退相干。而将量子计算机转移到无辐射掩体中是不切实际的,并且对其他潜在补救措施(例如背景噪音欺骗)的研究才刚刚开始。

因此,在可预见的未来,量子计算机将不得不频繁地重置。如果你想像Rigetti和亚马逊那样提供量子计算的云服务,那就意味着你的客户需要等待很长时间。

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图7|近距离观察能够使量子比特保持超低温状态的冰箱(来源:IBM)

事实是,需要一种将算法从经典计算机传递到量子计算机的方法,这加剧了访问挑战。最初,Rigetti允许客户在常规互联网上提交一个线路,然后再得到结果。但是,真正需要的是一个紧密的循环,这个循环发生在用来提交结果的经典计算机与再次运行的电路之间,而将公共互联网置于其中是一种巨大的威慑力。

Rigetti官方表示,得益于最近的改进,亚马逊客户将能够避免部分滞后时间,这使Rigetti能够同时评估数千条电路,并将结果以毫秒为单位返回到客户的经典计算机上。

但他们承认,除非完全过渡到量子系统,否则完全避免滞后时间的唯一方法,就是将量子和经典系统集成在一起,而完成这项成就还需要几十年的时间。

 

量子计算能走出实验室吗?

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图8|量子实验数据(来源:芝加哥大学)

反观过往三年量子技术的飞速发展,下一次技术大飞跃是漫长的。但是进步是相对的。从20世纪第一个由真空管供电的电子电路,到邮票大小的A12仿生芯片为iPhone供电的半导体制造技术,已经过去了一个多世纪。因此,不要对未来的事态过早下定义。

David Aschwalom,芝加哥大学的物理学家、阿贡量子测试回路项目的负责人,也是前面提到的背景噪音欺骗技术的主要作者。他指出,量子信息研究的当前状态相当于1950年代只有几十个晶体管的经典计算机(现代笔记本电脑有数十亿个晶体管)。

但他指出,具有几十个量子比特的等效量子机器在“以高度非线性“的规模扩展,等到有人发明出一台大约有200个量子比特的量子计算机时,我们就能运行,比宇宙中的原子还要多的状态的算法。

IBM在9月份发布了一个路线图,该路线图显示它将如何在2023年之前,从今年的27个量子比特计算机,升级到名为Condor的1121个量子比特处理器。最终,IBM希望构建由100万个量子比特构成的完全容错的计算机。而这对于IBM自己的工程师来说,也是一个艰巨的项目。

除了要使这么多量子比特很好地协同工作,并保持一致性之外,Condor还需要在支持系统和物理架构方面进行改进。具有低温超导量子比特的量子计算机将会是一台庞然大物,带有众多稀释桥和低温冷却室,且还要有软管将所有零件连接在一起。

所有计算机都会产生热量,但量子计算机是名副其实的熔炉——首先,它们极易受到辐射和温度波动的影响。IBM指出,当今的商用冰箱无法有效地冷却和隔离一台百万量子比特的计算机。因此,新型冰箱也得出现在量子路线图上,可能是一个近3米高、2米宽的超级冰箱[9]。

 

量子动力未来的愿景

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图9|Rigetti的量子处理器(来源:Rigetti)

这项研究是非常真实的,但对我们大多数人来说是难以想象的。10000个在Strangeworks平台上分享算法的软件开发者们,为了验证他们的算法,需要找到量子计算机的空闲时间,运行之后进行准确性验证。要么他们也可以选择重写这些算法,并让它们在经典计算机上运行。

即使量子计算机成功地比经典计算机更快地完成了这些任务,但从长远来看,量子计算机的这种优势地位并不重要。至于量子互联网,测试平台的废弃光纤电缆提醒我们,挑战仍然存在。

说好听点,量子领域目前的状态成熟到可以接受挫折。说难听点,这是一个可能让纳税人和风险资本家都失望的泡沫。

但从消费者的角度来看,量子技术与3D电视或虚拟现实设备不同。它不需要你买一台新电视,或者把你家的整个房间都用来玩电子游戏。即使最终证明不可能使用量子处理器来制造手机,或者用光子可靠地将信息进行传输,公众仍然可以感受到量子对日常生活的贡献。

Rigetti相信,普通消费者可能会以两种方式其中的一种,来看待他们生活中的量子计算。

第一种是寻找一组点之间的最短路径问题。无论是将网约车司机派送到需求量大的社区,还是在堵塞的道路上驾驶公交车,提高尽快到达多个地点之间的能力,对现代生活来说都是一个巨大的福音。第二种是对消费品的改进(尤其是药品),量子计算机擅长建立用于药物开发的分子模型。

这两种情况以及其他类似情况都表明,未来,量子物理学不会取代我们今天所拥有的信息技术基础设施。事实上,量子的未来就是数据中心的未来,而不是50年后手机或笔记本电脑的样子。

换句话说,也许根本不存在即将破灭的量子泡沫。今天,大家都能理解超级计算机的重要性,尽管要准确描述其作用并不容易。无论我们是否达到了量子优势,或是否发明了坚不可摧的光子,量子技术对于这类机器存在改进作用是毋庸置疑的。

过去,到另一个城市可能需要好几个月的时间,火车的发明将时间急剧缩短。现在,可以将火车比喻为经典计算机,不管火车能走多远,你终究会碰到海洋,所以你需要乘坐飞机。

这就是量子计算:一项革命性的技术,可以让我们跨越隐喻的海洋。即使到了成熟阶段,它仍可能依赖经典计算机来执行日常任务,就像我们乘坐飞机去国外度假,但在去本地超市和商场的路上,依然会选择驾驶车辆。

如果最近投入量子计算研究的资金,让你心痒难耐地想买一部量子驱动力的iPhone,那么你可能生活在一个泡沫之中。过去几年的量子突破表明,在不太遥远的未来,虽然变化不会很明显,但更具革命性。新的疫苗可能在几天内诞生,而不是几年;股票交易可能发生在一瞬间……这使得今天花费几十亿美元来加速光子并建造巨型冰箱,都是值得的。

 

参考链接:

[1]https://au.pcmag.com/news/83813/quantum-computing-a-bubble-ready-to-burst

[2]https://news.fnal.gov/2020/08/white-house-office-of-technology-policy-national-science-foundation-and-department-of-energy-announce-over-1-billion-in-awards-for-artificial-intelligence-and-quantum-information-science-research-in/

[3]https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-04-06/quantum-computing-startup-raises-215-million-for-faster-device

[4]https://www.globenewswire.com/news-release/2020/08/04/2072699/0/en/Bessemer-Leads-79M-Series-C-Round-of-Rigetti-Computing-to-Advance-Practical-Quantum-Computing.html

[5]https://www.extremetech.com/computing/315020-ibm-unveils-quantum-roadmap-plans-1000-qubit-chip-by-2023

[6]https://www.ibm.com/blogs/research/2020/07/qv32-performance/

[7]https://www.anl.gov/article/uchicago-scientists-discover-way-to-make-quantum-states-last-10000-times-longer

[8]https://blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means/

[9]https://newsroom.ibm.com/5-Things-About-IBM-Roadmap-to-Scale-Quantum-Technology

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:Sakura