IBM：量子计算的黄金时代正在到来？

量子计算并不简单。然而，IBM的研究人员最近宣布，他们在解决量子计算的一个主要问题上迈出了重要的一步。这是为了开发一种更好的方法来检测和纠正麻烦的错误。IBM t . j . Watson实验室负责人Mark Park Jung Su在一篇博文中表示：“我认为我们正在迎接量子计算研究的黄金时代。”至于世界上第一台真正的量子计算机的开发，他的团队是“走在最前沿”的。

首先，我们来看看什么是量子计算机。量子计算机利用微观粒子的特殊行为来解决传统计算机无法解决或耗时过长的问题。例如，在实验室很难在量子水平上研究分子间相互作用，这在传统计算机上也很难模拟，但量子计算机可以做这样的工作。

“量子模拟在药物制造、药物设计、化学设计和生物制药领域具有巨大的潜力。”IBM实验量子计算集团经理Jerry Chow说。此外，量子计算机可以轻松破解目前使用的最复杂的密码。为此，美国国家安全局(NSA)也在量子计算机的研究上投入巨资。

量子计算机引入了很多理论物理和数学的概念。自20世纪90年代量子计算机出现以来，包括谷歌(微博)、微软和洛克希德马丁在内的全球学术机构、政府和公司已经对这项技术进行了多年的研究。一家名为D-Wave的加拿大公司声称已经制造了一台量子计算机。然而，包括IBM研究人员在内的许多研究人员质疑这台计算机是否是真正的“量子”。

“量子”是什么

一个经典的二进制比特只有两种状态：“0”和“1”，而一个量子比特可以同时有两种可能的状态。这种新状态称为“叠加态”。因此，对量子比特的操作可以使许多计算任务并行运行。由两个量子位组成的系统可以用四个值操作，而由三个量子位组成的系统可以用八个值操作。

传统计算机根据确定的比特状态进行操作，因此操作只能依次进行。量子计算机不一样。一个量子位序列可以同时表达“0”和“1”的所有可能组合，这意味着计算机可以同时尝试所有可能的解决方案，并以远超传统计算机的速度进行复杂的计算。

然而，量子计算的一个有趣的特点是，量子比特的测量会导致它们“坍缩”到一个确定的状态，即“0”或“1”，从而失去它们的量子属性。量子计算是通过测量整个量子比特序列来实现的。

许多量子算法是不确定的。这些算法可以并行找到多个解，但只能测量一个解，因此可以以一定的已知概率获得正确的结果。重复计算会提高找到正确解的概率，但也会削弱量子计算的速度优势。

IBM的成绩

大多数研究人员认为，开发实用的量子计算机仍然存在许多困难。在《自然》杂志的一篇论文中，周延前的团队介绍了如何解决其中一个挑战。他们设计了一种方法来检测2x2超导量子比特晶格中的错误。

对于任何一台计算机，如果保存的数据有错误，计算结果也一定是错误的。在由晶体管制成的传统计算机中，出错的可能性非常低。当出现错误时，计算机可以通过各种纠错机制自动纠正。

量子计算机的情况大不相同。周延前说：“量子比特非常容易出错。它们可能会受到热量、环境噪声或杂散电磁耦合的影响。”

传统计算机保存的信息只有一个错误，就是比特反转，把“0”误认为“1”，或者把“1”误认为“0”。除了这样的误差，量子比特也有相位反转。量子位的叠加态，即同时表示“0”和“1”的状态，被标记为“0 1”。相位误差会破坏“0”和“1”之间的相位关系。

周延前说：“0 1和0-1表达了两种完全不同的信息状态。我们可以把它想象成一个指向球体的箭头。你可以把指向南极看成‘0’，指向北极看成‘1’，指向赤道的一边看成‘0-1’，指向赤道的另一边看成‘0-1’。更复杂的是，量子纠错机制需要避免直接测量量子数据，否则会导致量子态崩溃。”

IBM提出的新的错误检测机制是基于一种叫做“代码浮出水面”的技术。这项技术将量子信息分散在多个量子位中。两个特征化量子位被配对成两个代码量子位，或数据量子位。一个令牌量子比特用于反映代码量子比特是否存在比特反转错误，而另一个令牌量子比特用于反映是否发生了相位反转错误。这样，代码量子位就不会被直接测量。

然而，对于实际量子计算机的发展来说，纠错只是众多需要解决的问题之一。

更多的量子，更多的问题

一位教授在社交问答网站Quora上列出了量子计算的各种困难。其中之一就是连贯性。衡量量子比特质量的一个常用指标是相干时间，即量子比特的量子性能持续多长时间。性能稳健、功能完备的量子计算机需要较长的相干时间。目前距离实现这个目标还很远。2014年，新南威尔士大学的研究人员创造了一项世界纪录。他们创造的两种新型量子比特可以保持量子状态35秒。

“为了保证量子纠错技术能够工作，就需要单个量子比特达到一定的质量。”周延前说，“为了让这些单个量子比特越来越好，我们在材料科学、设备布局和实际处理器开发方面还有很多工作要做。”

与传统计算机不同，量子计算机没有标准的材料或架构。量子比特的制造方式多种多样，包括离子阱。尿壶

为了实现较长的相干时间，量子比特需要与外部环境隔离开，通常情况下还需要确保温度低于零度。然而，这样的隔离导致计算机难以得到有效的控制，因为控制意味着量子计算机将与外界环境发生接触。同时实现控制和相干性将带来高昂的成本。

为了制造出相干时间长的量子比特，澳大利亚研究人员利用价值10万美元的高频震荡磁场发生器操纵在硅晶体上植入的单个磷原子，并使用简单的电脉冲去改变原子中电子的频率。研究者之一安德里·莫雷洛（Andrea Morello）表示：“因此，我们可以选择去操作哪一量子比特。这就类似于我们通过调节旋钮去选择接收哪一广播电台。这里的旋钮是施加在原子上方微型电极的电压。”

研究者随后还对设计进行了改进，从而控制多个量子比特。上月，该实验室报告了硅晶体制造的最新进展，这将极大地减少硬件开发的时间和成本。

如何扩大规模

然而到目前为止，在相干时间的限制下，研究者仍只能利用少数几个量子比特进行有限的量子逻辑操作。连接的量子比特越多，量子计算机行为类似传统计算机的可能性就越大。然而，如果不能集成大量的量子比特，一些复杂问题就无法进行求解。

杰瑞·周表示：“为了开发类似当前处理器的量子芯片，我们还需要大量的工程开发，以及对不同材料及这些材料在量子世界中的行为有更多的理解。”

另一个问题在于，量子算法相对于传统计算机求解速度更快的问题类型可能很有限。由于许多量子算法都是非确定性的，因此你需要一定的方式去验证，被测量的结果是否正确。例如，在计算一个大数的质因数时，检查结果很容易。但许多问题的解并不是很容易验证。

即使在问题的解得到验证之后，你可能还需要进行多次同样的计算，从而获得正确的解。这也削弱了量子计算的速度优势。维也纳的一些研究人员正在解决这一问题。他们在计算过程中插入了一些简短的中间计算，而这些计算的答案是已知的。这将帮助用户衡量量子计算的可靠性开发者_运维技巧。其他量子算法则利用了干涉现象，从而提升单次运算获得正确结果的可能性。

IBM的杰瑞·周对于这些障碍的解决感到乐观，尤其是在制造“逻辑量子比特”方面。逻辑量子比特基于物理量子比特，但不会丢失信息，且错误已得到修正。“许多这类问题将在未来几年内得到解决，这将帮助我们实现逻辑量子比特编码。随后，在这一逻辑层的基础上，我们可以向真正的量子算法迈出一步。”

在此之后，所有计算机用户，无论是科学家、加密专家、数据挖掘专家，还是互联网搜索用户，与量子计算的距离都将更近一步。