QSystem One是全球首臺(tái)也是目前唯一一臺(tái)獨(dú)立量子計(jì)算機(jī)，由IBM公司于今年年初的國(guó)際消費(fèi)電子展正式推出，旨在借助其中的核心處理器來(lái)解決一些最為復(fù)雜的世界性科學(xué)難題。通過(guò)20個(gè)量子比特的強(qiáng)大數(shù)據(jù)功能，該計(jì)算機(jī)可以一步實(shí)現(xiàn)220的運(yùn)算速度。
理論上來(lái)說(shuō)，達(dá)到“量子比特”級(jí)別就已經(jīng)是相當(dāng)難得。得益于相對(duì)較低的出錯(cuò)率，量子計(jì)算機(jī)能夠有效解決現(xiàn)實(shí)生活中的諸多難題。雖然目前整個(gè)系統(tǒng)仍集成于九英尺的冷卻立方玻璃空間中，但I(xiàn)BM公司已經(jīng)雇用了一位倫敦設(shè)計(jì)師來(lái)為其研發(fā)黑色金屬外殼。
有人說(shuō)，這是一臺(tái)來(lái)自未來(lái)的計(jì)算機(jī)，也有人說(shuō)這是一頭來(lái)自科幻世界的龐然大物。IBM公司研發(fā)部門(mén)負(fù)責(zé)人Dario Gil介紹說(shuō)：“這是一項(xiàng)令人興奮、令人著迷的技術(shù)，也是首個(gè)能夠廣泛商用的集成量子計(jì)算系統(tǒng)。”但其實(shí)，究竟如何定義廣泛商用，仍然是一個(gè)大難題。待日后該技術(shù)逐漸成熟，各家公司或?qū)⒛芙柚ヂ?lián)網(wǎng)訪問(wèn)IBM公司的量子平臺(tái)，通過(guò)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來(lái)親身測(cè)試系統(tǒng)成效。
現(xiàn)階段，全世界不少國(guó)家和地區(qū)的公司，都十分看好量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展?jié)撃埽谕摷夹g(shù)能夠幫助他們解決困惑已久的難題。同時(shí)，各國(guó)政府也紛紛斥資數(shù)十億美元研發(fā)量子計(jì)算技術(shù)，以在全球格局中贏得經(jīng)濟(jì)和軍事優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，量子信息科學(xué)領(lǐng)域的投資，目前還處于發(fā)展初期，尚未得到充分重視。
根據(jù)摩爾定律這一科技行業(yè)指導(dǎo)原則，基于微型芯片中晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)，計(jì)算能力大約每隔兩年增長(zhǎng)一倍。但目前，硅芯片中晶體管的運(yùn)用，幾乎已經(jīng)達(dá)到極限。未來(lái)，在人工智能技術(shù)的幫助下，或許量子計(jì)算技術(shù)有望幫助摩爾定律走出瓶頸期，給整個(gè)行業(yè)帶來(lái)全新變革。
最可能受益于量子計(jì)算技術(shù)的三大行業(yè)
當(dāng)下，各家公司都希望借助量子計(jì)算技術(shù)來(lái)解決復(fù)雜難題。如下三大行業(yè)，最是躍躍欲試：
金融
說(shuō)到底，銀行和投資兩大塊最重要的就是管理風(fēng)險(xiǎn)。摩根大通和高盛這類華爾街金融巨頭，都希望利用量子計(jì)算技術(shù)來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)，更好管理投資組合的威脅與機(jī)遇。除此之外，量子計(jì)算機(jī)還能幫助金融專家不斷優(yōu)化蒙特卡洛模擬(Monte Carlo Simulation)模型，更好預(yù)測(cè)各種復(fù)雜情況的可能結(jié)果和可行性。
能源
作為全球最為復(fù)雜且難以預(yù)測(cè)的自然現(xiàn)象，氣候變化或許也能在很大程度上享受量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的好處。今年一月，埃克森美孚公司(Exxon Mobil)與IBM公司達(dá)成伙伴合作，共同研發(fā)環(huán)境預(yù)測(cè)模型和碳捕獲技術(shù)。另外，戴姆勒汽車公司(Daimler)也正在積極利用量子計(jì)算技術(shù)來(lái)測(cè)試新型化學(xué)電池來(lái)進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車性能。而迪拜水電局(Dubai Electricity and Water Authority)也攜手微軟，努力優(yōu)化電網(wǎng)管理。
醫(yī)學(xué)
早在2017年，美國(guó)生物醫(yī)藥巨頭Biogen攜手咨詢公司埃森哲(Accenture)和初創(chuàng)企業(yè)1QBit開(kāi)啟了一項(xiàng)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)，共同探索醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜分子建模，希望能夠研發(fā)出治療阿爾茲海默癥和帕金森癥這類神經(jīng)退行性疾病的優(yōu)質(zhì)候選藥物。除此之外，微軟也與凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(Case Western Reserve University)達(dá)成合作，以提高磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging)機(jī)器的檢查精準(zhǔn)率，通過(guò)量子算法幫助檢測(cè)癌癥。
搜索巨頭谷歌的相關(guān)研究人員也表示，在不久的未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)將會(huì)以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)勝過(guò)傳統(tǒng)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。它不僅是一項(xiàng)擁有巨大發(fā)展?jié)撃艿?ldquo;未來(lái)技術(shù)”，更是一門(mén)值得即刻著手研究的強(qiáng)大科學(xué)。
無(wú)論是IBM公司，還是谷歌、英特爾或微軟，只要這些科技巨頭和新興初創(chuàng)企業(yè)能夠向廣大民眾和整個(gè)行業(yè)證明自己擁有正確的研究方法，那無(wú)疑將吸引更多優(yōu)質(zhì)研發(fā)人員和潛在合作客戶以及更大市場(chǎng)份額。目前，這些公司或多或少都提供一些軟件云服務(wù)。如若未來(lái)量子研究能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵性突破，那將進(jìn)一步為他們提供豐富的產(chǎn)品服務(wù)，從而獲得更大盈利空間。
作為前所未有的超快速計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)并非逐項(xiàng)運(yùn)算，而是同時(shí)分析所有潛在場(chǎng)景和每種可能情形。它能夠拯救淹沒(méi)在數(shù)據(jù)大潮中的各家公司，通過(guò)預(yù)測(cè)各種變量、分析各種數(shù)據(jù)，幫助他們解決諸多復(fù)雜問(wèn)題。
以電商巨頭亞馬遜為例，商品運(yùn)輸永遠(yuǎn)是它需要不斷優(yōu)化的一大難題。這其中，涉及運(yùn)輸路線、物流體系、商品庫(kù)存、天氣狀況、交通狀況和律法規(guī)定等一系列因素。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和人工管理，顯然會(huì)導(dǎo)致一片混亂。或許未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)能夠有效解決這一難題。再加上有人工智能技術(shù)提供支持，機(jī)器在實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)之后，著實(shí)能夠承擔(dān)更多職責(zé)、優(yōu)化整個(gè)流程。
據(jù)埃克森美孚公司研發(fā)副總裁Vijay Swarup介紹，公司之所以選擇與IBM公司合作，就是因?yàn)榭吹搅肆孔佑?jì)算技術(shù)在能源領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)撃埽粌H有望進(jìn)行環(huán)境預(yù)測(cè)，還能優(yōu)化電網(wǎng)管理，驅(qū)動(dòng)碳捕獲技術(shù)取得關(guān)鍵性突破，進(jìn)一步將人類對(duì)自然和化學(xué)的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的創(chuàng)新技術(shù)。
其實(shí)，量子計(jì)算機(jī)這一概念，早在上世紀(jì)70年代就已誕生。一路至今，其研發(fā)也遇到了很多困惑阻礙，尤其是工程和量子力學(xué)方面。1995年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的一位數(shù)學(xué)家Peter Shor就表示，一臺(tái)功能成熟的量子計(jì)算機(jī)不僅能夠破解RSA通訊加密，還能夠以快于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)數(shù)倍的速度完成運(yùn)算。隨后一年，該實(shí)驗(yàn)室另一位科學(xué)家提出了一種全新量子算法，能夠?qū)崿F(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的快速搜索，進(jìn)一步推動(dòng)硬件研發(fā)進(jìn)步和關(guān)鍵編程突破。
約十?dāng)?shù)年后，在耶魯大學(xué)教授Robert Schoelkopf所帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)的努力之下，基于過(guò)冷硅和電流的“超導(dǎo)量子比特”的全新概念誕生，在很大程度上也促進(jìn)了IBM機(jī)器的誕生。作為Schoelkopf實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)至關(guān)重要的一位研究員，Chad Rigett在加州成立了一家名為Rigetti Computing的初創(chuàng)企業(yè)，并且計(jì)劃于今年下半年推出128個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)。
這些量子比特由超導(dǎo)電極之間的電流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，存在于特殊設(shè)計(jì)的硅芯設(shè)備中。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)入運(yùn)算狀態(tài)后，每?jī)蓚€(gè)量子比特就會(huì)實(shí)現(xiàn)相互連接，實(shí)現(xiàn)所有指令的同步運(yùn)行。也就是說(shuō)，如果所有量子比特都實(shí)現(xiàn)相互連接，程序員就能夠一步實(shí)現(xiàn)大量相同運(yùn)算，從而在極大程度上提高運(yùn)算速度。
除了“超快速度”，“疊加”也是量子計(jì)算領(lǐng)域的一大高頻詞匯。在傳統(tǒng)計(jì)算中，所有“比特”所代表的信息僅為0和1。但在量子計(jì)算中，“量子比特”能夠代表任何0和1之間的變化組合。舉個(gè)例子，一枚靜止的硬幣非正即反，但一枚旋轉(zhuǎn)的硬幣卻有很多可能。也就是說(shuō)，在疊加狀態(tài)下，量子比特能夠儲(chǔ)存更多于比特的數(shù)據(jù)。
每一個(gè)量子比特，都能以指數(shù)形式帶來(lái)計(jì)算能力的增加。但隨著量子比特?cái)?shù)量的增長(zhǎng)，計(jì)算質(zhì)量就會(huì)逐漸受到限制，甚至帶來(lái)錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。還是以旋轉(zhuǎn)的硬幣為例，即便是最為微小的波動(dòng)，比如溫度或振動(dòng)，都有可能破壞旋轉(zhuǎn)平衡，導(dǎo)致硬幣脫離旋轉(zhuǎn)規(guī)律從而逐漸停止旋轉(zhuǎn)。來(lái)自以色列希伯來(lái)大學(xué)的Gil Kalai教授甚至表示：“基于我的分析，量子計(jì)算技術(shù)必將會(huì)失敗，因而關(guān)于它的一切研究工作也都將是徒勞。”這也就是IBM公司和谷歌如此迫切向公眾證明，其量子比特已經(jīng)得到優(yōu)化鞏固，且已大幅降低錯(cuò)誤率。
2014年2月，馬里蘭大學(xué)物理教授Chris Monroe在知名物理期刊上發(fā)表了一篇文章，羅列出了數(shù)種能夠幫助量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)質(zhì)的飛躍的硬件設(shè)備。沒(méi)過(guò)多久，就收到了知名風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)恩頤投資(New Enterprise Associates)合伙人Harry Weller的郵件。經(jīng)商談，Monroe接受了Weller提出的投資建議，于2015年成立了量子計(jì)算初創(chuàng)企業(yè)IonQ。
現(xiàn)階段，IonQ的研究重點(diǎn)是一項(xiàng)名為“離子阱”的量子計(jì)算方法，主要借助激光束操控離子或帶電原子達(dá)到激活量子比特的目的。與超導(dǎo)量子比特不同，這種方法無(wú)需電纜線來(lái)向機(jī)器傳遞控制信號(hào)。也就是說(shuō)，量子比特受到干擾而出錯(cuò)的可能性會(huì)大大降低，僅是懸浮于真空帶中。2017年，IonQ又順利拿到了谷歌母公司Alphabet旗下風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)GV的資金支持。隨后五月，該公司正式任命亞馬遜Prime的前工程主管擔(dān)任首席執(zhí)行官。
就在去年，工業(yè)巨頭霍尼韋爾(Honeywell)也首次公開(kāi)展示了公司已秘密研究數(shù)年的“離子阱”項(xiàng)目。當(dāng)然，目前這一方法還處于發(fā)展初級(jí)階段。除了“離子阱”，量子計(jì)算的方法還有很多種。至于哪一種最好、能夠成為主流，現(xiàn)在就下結(jié)論還為時(shí)過(guò)早。
推動(dòng)量子計(jì)算進(jìn)步的七大可行方式
以下總結(jié)了促進(jìn)量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展的七大方法：
超導(dǎo)利用流經(jīng)特殊半導(dǎo)體芯片的電流，來(lái)生成計(jì)算可用的“量子比特”。目前這是最為先進(jìn)的方法，也是IBM公司、谷歌和英特爾所采用的方法。
離子阱借助激光束操控真空帶中的帶電原子，從而降低外部干擾導(dǎo)致的出錯(cuò)率。目前，初創(chuàng)企業(yè)IonQ和工業(yè)巨頭霍尼韋爾，均十分看好這種方法。
中性原子與離子阱較為類似，但所使用的是中性原子。哈佛大學(xué)物理學(xué)家Mikhail Lukin的實(shí)驗(yàn)室，目前正在研究這一方法。
退火方法旨在找到最低能耗和最快速度來(lái)進(jìn)行量子計(jì)算，解決各種數(shù)學(xué)問(wèn)題。以該方法為業(yè)務(wù)核心，加拿大公司D-Wave已經(jīng)向谷歌和美國(guó)國(guó)家航空航天局賣出了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的機(jī)器設(shè)備。雖然這一方法毫無(wú)疑問(wèn)擁有較快速度，但仍然有人表示它可能無(wú)法歸類為“量子”級(jí)別。
硅芯自旋主要利用半導(dǎo)體晶體管中的電子來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。現(xiàn)階段，英特爾也較為看好這一新興技術(shù)。當(dāng)然，它也同樣支持更為成熟的超導(dǎo)量子比特方法。
拓?fù)浞椒ㄖ饕?ldquo;任意子”這種高度穩(wěn)定的外來(lái)準(zhǔn)粒子來(lái)進(jìn)行量子計(jì)算，其長(zhǎng)期發(fā)展?jié)撃転槲④浰春谩?/p>
光電方法主要利用穿梭于特殊硅芯片中的光粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。其中，優(yōu)質(zhì)粒子相互結(jié)合，劣質(zhì)粒子則自行消散。目前尚處于隱形發(fā)展階段的初創(chuàng)企業(yè)Psi Quantum，正在努力研發(fā)這一方法。
過(guò)去三年，已經(jīng)有超過(guò)12萬(wàn)人借助IBM公司的量子云服務(wù)平臺(tái)完成了1000多萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，發(fā)表了超過(guò)190份研究報(bào)告。
當(dāng)然，作為一項(xiàng)新興技術(shù)，量子計(jì)算尚未完全證明自己的科學(xué)性和成熟性。于某些科學(xué)家而言，投資失敗風(fēng)險(xiǎn)非常大，產(chǎn)品研發(fā)及交付也無(wú)法得到保證。
變革性飛躍，總是需要十?dāng)?shù)年才能出現(xiàn)。就像人類登月一樣，量子計(jì)算也并非一項(xiàng)小工程，其發(fā)展同樣需要耐心、需要時(shí)間。
