從薛定諤的貓到今年的諾貝爾物理學獎的不開箱就能觀測貓的生死，量子計算機已經從空想變?yōu)榱爽F(xiàn)實，而隨著 IBM 等商業(yè)機構的發(fā)力，量子計算機時代正在向我們快步走來。

　　10 月 9 日，諾貝爾物理學獎答案揭曉，來自巴黎高等師范學院塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）教授以及美國國家標準與技術研究院的大衛(wèi)·維因蘭德（David Wineland）教授共同分享了這一殊榮，他們兩人的獲獎理由是分別發(fā)明了測量和控制孤立量子系統(tǒng)的實驗方法。

　　在諾貝爾獎委員會的新聞稿中，兩位獲獎者的成就被稱為“為實現(xiàn)量子計算機奠定了基礎。”一時間，量子計算機也成為了業(yè)界關注的焦點。

　　薛定諤的貓和諾貝爾獎

　　對于普通人來說，量子力學是個深不可測的概念。不過，隨著最近幾年科幻題材電影電視劇的風靡，“平行宇宙”、“平行世界”之類的詞匯開始被頻頻提及，而它正是出自量子力學的相關概念。

　　想要了解什么是量子計算機，那么首先需要了解“薛定諤的貓”這個量子力學中的經典假設。

　　1935 年，奧地利著名物理學家，同時也是量子力學創(chuàng)始人之一的薛定諤設想出這樣一個實驗：一只貓被關進一個不透明的箱子里，箱子內事先放置好一個毒氣罐，毒氣罐的開關由一個放射性原子核來控制。當原子核發(fā)生衰變時，它會釋放出一個粒子觸發(fā)毒氣罐的開關，這樣毒氣釋放，貓就會被毒死。

　　根據(jù)量子力學的理論，在實驗者沒有開箱進行觀測時，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態(tài)，換言之，箱子里的貓既是活的也是死的，對于普通人來說，很難理解“既生又死”這樣的狀態(tài)，但這正是量子力學研究的領域。量子力學針對的是在微觀環(huán)境下的物理現(xiàn)象，在這一環(huán)境中，大家中學時候學習的經典物理學中的規(guī)律會突然失效，微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什么薛定諤的理想實驗中貓既能是活的也能是死的。

　　不過，一旦打開箱子，微觀實現(xiàn)就會出現(xiàn)“崩塌”，原子核的狀態(tài)就會確定下來，此時貓是生是死也隨之揭曉答案。

　　長期以來，由于不能實際觀測，量子力學僅僅停留在理論之上，而缺乏實踐的驗證。然而，今年兩位諾貝爾獎得主的成就正是在這方面取得了突破。他們各自通過精妙的實驗，使“測量和操控量子系統(tǒng)成為可能”，讓不打開箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當然，更重要的是，它也使量子計算機的實現(xiàn)變得不再遙不可及。

　　不再是空想的量子計算機

　　所謂量子計算機是基于量子力學基本原理實現(xiàn)信息處理的一項革命性計算技術。1982 年，美國物理學家費曼在一次演講中提出利用量子體系實現(xiàn)通用計算的想法，當時他發(fā)現(xiàn)，分析模擬量子物理世界所需要的計算能力遠遠超過了經典計算機所能達到的能力，而用實驗室中一個可控的量子系統(tǒng)來模擬和計算另外一個人們感興趣的量子系統(tǒng)會非常高效，量子計算機的概念也應運而生。

　　量子計算機與經典計算機不同之處在于，對于經典計算機來說，其基本的數(shù)據(jù)單位就是一個比特，相對應的一個比特不是 0 就是1，而對于量子計算機來說，一個比特可以同時表示 0 和1，這就意味著兩個比特就能表示 00、01、10、11 四種狀態(tài)。這樣，只要有 300 個量子比特，其承載的數(shù)據(jù)就能是 2 的 300 次方，這將超過整個宇宙的原子數(shù)量總和。簡而言之，量子計算機的運算能力將是目前經典計算機所無法比擬的。

　　前面的表述未免抽象，舉一個形象的例子：目前最好的多核處理器能夠解密 150 位的密碼，如果想要解密一個 1000 位的密碼，那么需要調用目前全球的計算資源才有可能實現(xiàn)。但是從理論上講，一臺量子計算機在幾個小時內就能解決這一問題。在量子計算機面前，目前世界上最復雜的密碼也會變得不堪一擊，這意味著互聯(lián)網上將不再有秘密可言，人類需要重新設立一套與現(xiàn)在完全不同的信息加密系統(tǒng)。

　　量子計算機的用處當然不只是破譯密碼，在大數(shù)據(jù)分析的時代，對計算機運算能力的要求正變得愈來愈高，從語義識別到人工智能，都需要倚仗計算機強大的運算能力才能完成，這也讓業(yè)界對于量子計算機的誕生充滿了期待。

　　不過，雖然理論上 300 個量子比特就能賦予計算機難以想象的運算能力，但現(xiàn)實與想象畢竟還存在不小的差距。根據(jù)清華大學交叉信息研究院助理研究員尹章琦的介紹，估算大概需要至少一萬個量子比特才能超越經典計算機的計算能力，“因為我們需要對計算過程進行糾錯，所以需要很多個物理比特才能獲得一個可容錯的邏輯比特。估計需要大概一千個邏輯比特運行 Shor 算法來超越經典計算機的計算能力，那么物理比特至少要高一個量級，甚至可能要高兩個量級”。尹章琦所從事的正是關于量子信息與量子光學的理論與實驗研究。

　　商業(yè)化的未來

　　在學界還在探討量子計算機可行性的時候，產業(yè)界已經迫不及待開始了實踐。早在 2001 年，IBM 就曾經成功實現(xiàn)利用 7 個量子比特完成量子計算中的素因子分解法。

　　2007 年，加拿大的D-Wave 公司就發(fā)布了號稱全球第一臺商用量子計算機——采用 16 位量子比特處理器的 Orion（獵戶座）。不過，Orion 發(fā)布后迅速被業(yè)界潑了一盆冷水，業(yè)內人士稱，Orion 并不是真正意義上的量子計算機，只是具備了一些量子計算的特性。

　　去年，D-Wave 卷土出來，發(fā)布了全新的產品——D-Wave One，這一次它的處理器達到了 128 量子比特，比前代產品大大提升，一臺售價高達 1000 萬美元。但是，由于D-Wave 對核心技術三緘其口，學術界無法得知關于其產品的更多信息，質疑之聲再起，因為目前能夠實現(xiàn) 10 量子比特已經是相當了不起的成就。

　　不過，即便質疑不斷，D-Wave 還是成功拿到了第一張訂單，外國媒體報道，美國知名的軍備制造商洛克希德·馬丁已經購買了D-Wave 的產品并且將其用在一些復雜的項目上，比如F-35 戰(zhàn)斗機軟件錯誤的自動檢測。

　　不僅如此，D-Wave 還在今年 10 月得到了來自貝索斯以及美國中情局下屬投資機構 In-Q-Tel 總計 3000 萬美元的投資。貝索斯的投資邏輯顯而易見，隨著現(xiàn)實世界的不斷互聯(lián)網化，他的野心自然是通過深度挖掘和分析亞馬遜積累的海量數(shù)據(jù)創(chuàng)造出更大的商業(yè)價值，而量子計算機正是實現(xiàn)這一切的基礎。

　　在D-Wave 大出風頭的同時，老牌巨頭 IBM 也不甘落后，今年 2 月，IBM 宣布在量子計算領域再次取得重大進展。新的技術使得科學家可以在初步計算中減少數(shù)據(jù)錯誤率，同時在量子比特中保持量子機械屬性的完整性。

　　IBM TJ 沃森研究中心的物理信息主管 Mark Ketchen 表示，IBM 目前已具備在一段足夠長的時間內保持柵電極狀態(tài)的能力，“一旦數(shù)據(jù)差錯降低到足夠小，我們就能把許多柵電極組合在一起，從而得到一個完美的量子位，這表明我們已經拿到了入場券，并可以開始真正制造一些東西了。”

　　當然，量子計算機要想真正實現(xiàn)還有很長的路要走。“量子計算機的第二步是進一步提高量子比特數(shù)目到 10 這個量級，第三步就是到 100 乃至 1000 這個量級。第四步是實現(xiàn)可容錯的量子計算，最終就可以實現(xiàn)一個超越經典計算機的量子計算機。”尹章琦說，“目前我們剛剛走到第二步。”不過，隨著像 IBM 這樣老牌巨頭的發(fā)力，以及貝索斯這樣投資人的介入，量子計算機的真正實現(xiàn)或許離我們已經并不遙遠。

---