量子計算機已然問世——然而，我們緣何需要它們？其又將作何用途

儘管量子計算技術距離實際應用階段尚有一段時日 可科技企業依舊在該項技術上 投入了高達數十億美元的資金 那麼未來的量子計算機 究竟會在哪些方面得以應用 又爲何諸多專家篤定 其將引發顛覆性的變革呢 構建一臺能夠駕馭量子力學獨特性質的計算機 此構想自20世紀80年代起 便一直處於爭議之中 不過在過去的數十年間 科學家們於製造大規模量子設備方面 已然取得了頗爲顯著的進展 當下從谷歌到IBM等一衆科技巨頭 連同若干資金充裕的初創公司 均已在這項技術領域投入了鉅額資金 並且已經成功研製出了多臺量子計算機 以及量子處理單元 從理論層面來講 量子計算機具備解決那些 即便是最爲強大的傳統計算機 也無力應對知難題的能力 不過業內普遍達成共識 即在實現這一目標之前 此類設備必須在規模和可靠性方面 但一旦達成這一條件 人們便寄希望於 該項技術能夠攻克化學 物理 材料科學 乃至機器學習等諸多領域內 當下無法解決的諸多難題 加拿大華鐵盧大學量子計算研究所 執行所長諾伯特·旅特肯豪斯 在接受採訪時指出 它絕非僅僅是一臺 速度更快的傳統計算機 而是一種全然不同的方式 量子計算機能夠高效地完成一些 傳統計算機根本無從下手的任務 當前的技術狀況 量子計算機最爲根本的構建模塊 乃是量子比特 這是一種量子信息的計量單位 其與傳統計算機中的比特 存在一定的相似性 不過它卻擁有一項極爲神奇的特性 即能夠同時呈現 0和1的複雜組合狀態 量子比特能夠依託 多種不同類型的硬件予以實現 諸如超導電路 被囚禁的離子 甚至是光子等 超導電路的量子比特 它的信息存儲在 通常是通過約瑟夫森傑這一 非線性 無耗散的電路元件來實現 使用微波和低頻電信號進行控制 這兩種電信號 都通過連接到 西式製冷機中的電線進行通信 以到達受控環境中的量子比特 利用先進的芯片製造技術製備器件 並且可以通過調整電容 電感 和約瑟夫森能量等參數 來設計不同類型的量子比特 以及調整其特性 多個超導量子比特之間 可以通過電容或電感進行偶合 約瑟夫森傑的引入 使勢能不再是拋物線形式 而是以餘弦波形式爲特徵 產生了非對稱的能量水平 能夠隔離兩個最低的能級 形成一個獨特的 可處理的量子兩能級系統 由於光子本身就可以作爲量子比特 所以可以利用光子的量子疊加 和糾纏特性進行計算 通過對光子的偏振 相位 路徑 等物理特性進行編碼 可以實現量子信息的存儲和處理 光量子計算系統 通常需要光源來產生光子 以及光學元件 來對光子進行操控和測量 此外 爲了實現量子信息的傳輸和處理 還需要光纖等光學傳輸介質 以及相應的光學探測器等設備 至於傳統的半導體材料 量子比特通過操縱半導體材料 或缺陷材料中的單個電子 來模擬量子比特 將微波和磁場應用於這些材料 使其表現出疊加 糾纏 和其他量子特性 例如在半導體量子點中 通過控制量子點中的 電子數量和能量狀態 可以實現量子比特的構建 這時就需要半導體加工工藝 來製備量子點等結構 並且需要相應的電極和電路 來對量子比特進行控制和測量 通常還需要低溫環境 來減少熱噪聲 對量子比特的影響 就當下而言 規模最大的量子計算機 其量子比特數量 方纔剛剛突破1000這一關口 不過絕大多數的量子計算機 僅具備幾十或者幾百個量子比特 由於量子態對於外部噪聲 表現出極爲敏感的特性 故而它們相較於 傳統計算組件而言 更容易出現差錯 這也就意味着 在現階段 想要運行大規模的量子程序 並且使其持續運行足夠長的時間 進而達到解決實際問題的目的 是頗具難度的 然而美國麻省理工學院 量子工程中心主任 威廉·奧利弗表示 這並不意味着 當下的量子計算機毫無用處 他在接受《生活科學》採訪時談到 如今量子計算機的主要用途在於 一是學習如何製造 規模更大的量子計算機 二是學習如何運用量子計算機 製造規模更大的處理器 能夠爲如何設計出更大 更可靠的量子機器 提供極爲關鍵的洞察視角 並且能夠爲開發與測試 新型量子算法 搭建起一個平臺 它們還能夠讓研究人員 對量子糾錯方案展開測試 而這對於充分實現 這些方案通常會涉及 將量子信息 分散至多個物理量子比特之上 以此來創建一個單一的邏輯量子比特 該邏輯量子比特 具備更強的抗干擾能力 在這一領域 近期所取得的諸多突破錶明 容錯量子計算 或許已並非遙不可及之勢 包括Truera Quantum.io和谷歌在內的多家公司 近期均已成功展示了 可靠生成邏輯量子比特的能力 要將量子比特的數量 擴展至數千個 從而使其能夠解決實際問題 這無疑需要耗費大量的時間 以及衆多的工程投入 不過一旦達成這一目標 一系列令人振奮的應用 便將呈現在人們眼前 量子技術有望成爲變革推動者的領域 量子計算能力的關鍵奧祕 在於一種被稱作疊加態的量子現象 該現象使得一個量子系統 在未被測量之前 能夠同時處於多種不同的狀態 在量子計算機當中 這便使得能夠將底層的量子比特 設置成一種能夠代表某一問題 所有潛在解決方案的疊加態 當我們運行算法時 那些錯誤的答案將會受到抑制 而正確的答案則會得到強化 如此一來 待到計算結束之時 唯一留存下來的答案 便是我們所尋找的那個答案 這時的解決那些 對於傳統計算機而言 必須按順序逐一處理 但規模卻過於龐大的問題成爲可能 並且在某些特定領域 隨着問題規模的不斷增大 量子計算機進行計算的速度 相較於傳統計算機而言 有可能會呈現出指數級的提升 最爲明顯的應用領域之一 在於模擬物理系統 畢竟世界本身 便是由量子力學原理所支配的 那些使得量子計算機 擁有強大計算能力的奇特現象 同樣也導致在傳統計算機上 以具有實際應用價值的規模 來模擬衆多量子系統變得極爲困難 不過由於量子計算機 是基於相同的原理進行運作的 所以它們理應能夠高效地 對各式各樣的量子系統的行爲進行建模 這極有可能會對化學和材料科學等領域 產生極爲深遠的影響 在這些領域當中 量子效應發揮着至關重要的作用 並且有可能會在從電池技術到超導體 催化劑乃至製藥等諸多方面 帶來突破性的進展 量子計算機同樣也存在一些 並非那麼令人滿意的用途 倘若擁有足夠數量的量子比特 數學家彼得肖爾 在1994年所發明的一種算法 便能夠破解支撐當今互聯網 絕大部分應用的加密技術 幸運的是 研究人員已經研發出了新的加密方案 來規避這一風險 並且在今年早些時候 美國國家標準與技術研究院 已經發布了新的後量子加密標準 而且目前該標準已經在實際應用當中 量子計算新興的可能性 就目前而言 量子計算機的其他一些應用 在一定程度上還帶有一定的推測性質 人們期望這項技術 所謂優化 即使在衆多可能的解決方案當中 尋找某個問題的最佳解決方案 從緩解城市交通流量 到爲物流公司尋找最佳配送路線 等諸多實際挑戰 均可歸結爲優化過程 此外爲達成特定的金融目標 而構建最佳股票投資組合 這也有可能成爲一種潛在的應用 不過截至目前 絕大多數的量子優化算法 所能夠提供的加速效果 均未達到指數級 由於量子硬件的運行速度 要比目前基於晶體管的電子設備慢得多 所以當這些算法 在實際設備上進行實施時 其在速度方面所具備的適度優勢 很有可能會迅速消失 與此同時 量子算法的進展 也對傳統計算的創新 起到了一定的刺激作用 當量子算法設計者 提出不同的優化方案時 我們計算機科學領域的科學家們 也會相應地對其算法進行改進 如此一來 原本似乎所擁有的優勢 最終便會消失殆盡 其他一些目前正處於積極研究階段 但長期潛力尚不明確的領域 包括使用量子計算機 搜索大型數據庫 或者進行機器學習 機器學習涉及對大量數據進行分析 以發現有用的模式 在這些領域當中 加速效果同樣未達到指數級 而且還存在一個額外的問題 即把大量的傳統數據 轉換爲算法能夠處理的量子狀態 這是一個相對緩慢的過程 有可能會迅速抵消掉 但目前尚處於早期階段 在算法突破方面 依舊存在着廣闊的空間 我們需要了解如何構建量子算法 識別並利用這些程序元素 發現新的元素 並瞭解如何將它們組合起來 以生成新的算法 這應當會對該領域未來的發展 起到一定的指導作用 同時也是企業在做出投資決策時 應當予以牢記的一點 當我們推動該領域向前發展時 不要過早地將注意力 我們仍然需要解決更多的一般性問題 然後才能由此衍生出衆多的應用