馬穎君

美國科幻電影《超驗駭客》中描述了這樣一個故事：約翰尼·德普飾演的男主人意外身亡后，他的精神意識被上傳到了一臺量子計算機上，這臺計算機成了男主人公的“化身”，并且具有自主思維能力。

但現實生活中，量子計算機不僅技術門檻高、價格昂貴，而且對環(huán)境的要求極為苛刻。目前，全球僅有一家量子計算機生產商D-Wave。Google就擁有一臺其生產的D-Wave 2X，這也是迄今唯一全球認可的商用量子計算機。去年12月，Google和美國航空航天局（NASA）聯合對其測試，讓D-Wave 2X首次利用量子演算法解題，其計算速度最終比傳統(tǒng)電腦芯片快1億倍。

而今年5月，IBM則推出了5比特位的量子計算機平臺Quantum Experience，使用者可以將計算需求發(fā)送到這個位于云端的平臺上，隨后，該需求會被轉發(fā)到一臺量子處理器上，它被放置于美國紐約州的IBM T.J. Watson研究院中—這意味著，任何人都可以通過云平臺間接操作量子計算機里的原子做運算。

“我們需要改變對這個世界的思考方式了?！盜BM研究院科學與解決方案部副總裁Dario Gil說。普通計算機的芯片升級已接近極限了，要想進一步提高運算速度—考慮到如今巨大的信息量，這是必需的—量子計算機或許將成為其替代品。

多年以來，英特爾等芯片公司基本以兩年一次的頻率改進芯片的生產工藝，這與英特爾聯合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）50年前提出的“摩爾定律”一致。然而近幾年，因為財力的限制，以及芯片工藝越來越接近半導體的物理極限，追趕“摩爾定律”愈加困難。英特爾此前升級14納米芯片的生產工藝時就推遲了6個月，最近在10納米芯片上再次“跳票”。

這是因為當芯片的結構小到某種程度時—現在的工藝已經基本接近，電子的運動已經不再完全遵循經典物理原理，而開始呈現出量子的特征—電流可能不會完全按照電路的既定路線流動，有些電子會穿過原本不可能穿過的絕緣點。

所以，內置硅芯片的電子計算機正面臨著越來越難以升級的瓶頸，而量子計算機作為基于量子力學的設備，似乎成為了計算機繼續(xù)發(fā)展的下一個形態(tài)。

量子計算機的計算功能很強大。量子計算機公司D-Wave的聯合創(chuàng)始人埃里克·勒迪辛斯基（Eric Ladizinsky）曾如此解釋它的工作原理：“想像一下，你被要求5分鐘內在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個大寫字母‘X，這幾乎是不可能的，因為那里有5000萬冊書。但是如果你處于5000萬個平行現實中，每個現實都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個現實中找到這個‘X?！?/p>

這句話說明了傳統(tǒng)電子計算機和量子計算機的區(qū)別。不同于電子計算機的串行運算方式，量子計算機可以實現并行計算，形象點說，就是勒迪辛斯基所說的，它能“復制出5000萬個你，每個‘分身只需翻找一本書即可”。

這是因為普通計算機中的一個儲存器只能在特定的時刻用一串0和1的比特儲存一個數字。而量子比特能同時儲存0和1的疊加態(tài)，即普通計算機中，n比特可以儲存2n個整數之一，而n個量子比特可以同時儲存2n個復數。

以3個量子比特位為例，它能同時儲存所有8個二進制數：000，001，010，011，100，101，110和111。量子計算機可以同時運算這8個二進制數，即并行計算，最后得到8個結果，而普通計算機每次只能計算一個數據，得到的也只是一個答案。

強大的計算能力是量子計算機區(qū)別于普通計算機的重要特征，不過更重要的是，量子計算機處理的是具有量子疊加態(tài)的數據，而且可以用數字系數代表更傾向于某個數據的可能性。最終給出的答案不僅有很多種，這些答案出現的概率也并不一致。

以天氣預報為例，在建立這一模型的時候，需要建立并求解包含百萬變量的線性方程組，來實現對溫度、氣壓、濕度等的預測。等概率的答案是“明天晴天或下雨”，這樣的答案顯然是沒有任何意義的，我們真正需要的是“明天有70%的概率是雨天”。目前的天氣預報技術已基本能滿足這樣的需求，但如果要求更為精確地模擬，則需要求解具有海量數據的方程組，比如1億個，再從這個計算量以及從結果中挑選出概率最高的，這只有量子計算機才能做到。

量子計算機可以高效地模擬諸多過程，比如模擬分子間的互動。在新藥的研制過程中，化學家需要在實驗中對無數種不同分子組合，來找到有效的藥物，量子計算機則可以自主計算出可能最有效的組合，縮短藥物研發(fā)時間，降低研發(fā)成本。

量子計算機還可以用在城市管理工具的普及上。比如，整個城市甚至全球所有人的出行計劃都可以輸入量子計算機中，再加上所有的道路信息。如果有了這些信息后，量子計算機就可以同時處理如此巨大的數據信息，并幾乎實時地為每個人計算出最為通暢的定制路線，人類需要自主判斷的因素會大大減少，自動駕駛或者無人駕駛汽車的安全性會得到顯著提升，它們都會在量子計算機的控制下有序行駛。

不過，量子計算機是通過操縱量子位，即操縱單個原子計算實現的，因此對環(huán)境要求非?？量?。原子在常溫下的運動速度高達每秒數百米，并且非常容易受到磁場的影響，所以必須保持在絕對零度和絕對零場強的環(huán)境中，才能獲取理想的量子計算。

這無疑帶來了高昂的造價。Google為D-Wave 2X就花了1000多萬美元。亞馬遜的創(chuàng)始人杰夫·貝索斯以及加拿大政府也都是D-Wave公司的投資者。

D-Wave 2X的處理器的溫度一直穩(wěn)定在零下273.135攝氏度，只比絕對零度高0.015攝氏度。此外，量子計算機所處的環(huán)境，磁場僅能是地球磁場的5萬分之一，大氣壓則需是地球的100億分之一，這樣的環(huán)境基本相當于沒有磁場且真空。

據Dario GilIBM介紹，Quantum Experience平臺實現量子計算的方法是通過將超導量子位封裝到格型結構中來檢測量子錯誤這種運算的。相比號稱擁有1000個量子位的D-Wave 2X，IBM的Quantum Experience只有5個量子比特位，運算能力很有限。量子計算機中每多一個量子比特位，就至少相當于傳統(tǒng)芯片按照摩爾定律升級了一代。

但事實上，就連D-Wave 2X也無法稱為真正的通用量子計算機。它所具有的特定的量子結構，僅能用來執(zhí)行特定的量子計算功能，也就是說，在可見的未來，其他計算都還要由傳統(tǒng)的電子計算機來完成。