據(jù)國外媒體報道，長期以來量子計算機一直被吹捧為功能強大得令人難以置信的機器。相比于世界上現(xiàn)有的計算機，量子計算機能夠以更快的速度解決極其復(fù)雜的計算問題。但目前還沒有就開發(fā)量子計算機的最佳方式達成一致。最終誰將贏得這場比賽?

量子計算機能否揭開我們身體和宇宙的奧秘？

計算機科學(xué)家說，超高速量子計算機可以加速新藥物的研制，破解最復(fù)雜的密碼安全系統(tǒng)，設(shè)計新材料，模擬氣候變化，以及實現(xiàn)超級人工智能。但目前業(yè)內(nèi)還沒有就如何研發(fā)量子計算機達成共識，對于其將如何用于大眾市場也尚未統(tǒng)一。世界各地的物理學(xué)家、工程師和計算機科學(xué)家正試圖開發(fā)四種非常不同類型的量子計算機，這些計算機分別是基于光粒子、俘獲離子、超導(dǎo)量子比特或鉆石中的氮空位中心。

量子計算機能夠在分子水平上幫助追蹤遺傳病

IBM、谷歌、Rigetti、英特爾和微軟等公司目前都是量子計算機領(lǐng)域的領(lǐng)先者。然而每種方法都有其優(yōu)缺點，但最大的挑戰(zhàn)是量子本身的脆弱性。

什么是量子計算?

經(jīng)典計算機采用比特在長序列中表示開或關(guān)的狀態(tài)，而量子比特(或量子位)則應(yīng)用了亞原子粒子近乎神奇的特性。例如，電子或光子可以同時處于兩種狀態(tài)——這種現(xiàn)象稱之為疊加態(tài)。因此，基于量子比特的計算機可以比經(jīng)典計算機以更快的速度完成更多計算。

“如果你有一臺雙量子比特的計算機，再添加兩個量子比特，它就變成了一臺四量子比特的計算機。然而它的計算能力遠非提高一倍，而是以指數(shù)方式增加?！甭槭±砉W(xué)院科技評論(MIT Technology Review)舊金山分社社長馬丁·賈爾斯(Martin Giles)解釋道。

計算機科學(xué)家有時把這種量子計算效應(yīng)描述為能夠同時沿著非常復(fù)雜迷宮的每條路徑走下去。即便彼此之間沒有物理連接，量子比特也可以相互影響，這一過程被稱為“量子糾纏”。從計算的角度來說，這使他們能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)典計算機永遠無法做到的邏輯飛躍。

尋求穩(wěn)定

但是，量子比特非常不穩(wěn)定，容易受到其他能源的干擾或“噪音”，從而導(dǎo)致計算錯誤。因此，關(guān)于量子計算機競賽的目的是找到一種方法，使其大規(guī)模量產(chǎn)能夠趨于穩(wěn)定。計算行業(yè)巨頭IBM堅信“transmon超導(dǎo)量子比特”是量子計算機中最有前途的產(chǎn)品，他們有三個量子處理器原型機，公眾可以通過云進行訪問。

IBM的量子計算機所處的環(huán)境溫度維持在絕對零度左右

“到目前為止，已經(jīng)有超過94000人通過云訪問了IBM的量子計算機。他們進行了500多萬次實驗，寫了110篇論文。” IBM研究院量子計算戰(zhàn)略和生態(tài)系統(tǒng)副總裁羅伯特·蘇托爾（Robert Sutor）博士說。

“人們正在學(xué)習(xí)和試驗……我們希望在三到五年內(nèi)能夠找出一個具體的例子，并說明量子計算對于任何經(jīng)典計算機能做的事情都有顯著改進。”但是IBM的方法要求量子計算機存儲在一個巨大冰箱里，量子比特被存儲在接近絕對零度的溫度下，以確保它們保持在可用狀態(tài)。這需要耗費大量的能量，意味著要實現(xiàn)量子計算機的微型化非常困難。

谷歌開發(fā)出了名為Bristlecone的72位量子比特處理器

新加坡國立大學(xué)量子技術(shù)中心首席研究員約瑟夫·菲茨西蒙斯(Joseph Fitzsimons)表示:“超導(dǎo)量子比特似乎將成為首批實現(xiàn)有用量子計算的技術(shù)之一?！钡瑫r指出，“然而，我感覺是它們類似于早期經(jīng)典計算機中的真空管，而不是后來出現(xiàn)的晶體管。我們可能還會看到另一項技術(shù)出現(xiàn)，成為最終的贏家?！?/p>

經(jīng)典計算機芯片是由硅制成的。當(dāng)其他團隊正在研究如何在硅中捕獲量子比特時，微軟和哥本哈根Niels Bohr研究所的學(xué)者們正在研究一種基于所謂馬約拉納粒子(Majoranaparticles)的更穩(wěn)定量子比特。

同樣，牛津大學(xué)(Oxford University)計算機科學(xué)家們正在尋找將更小量子比特計算機連接起來的方法，而不是用大量量子比特創(chuàng)建更大規(guī)模的計算機。

現(xiàn)在看，似乎有很多方法可以觸碰到薛定諤的貓的皮膚。

經(jīng)典計算的潛力?

當(dāng)我們等待量子計算機的時候，傳統(tǒng)的，或者說經(jīng)典計算的未來是什么?

今年7月份，德州大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)計算機科學(xué)與數(shù)學(xué)專業(yè)18歲畢業(yè)生埃文·唐(Ewin Tang)開發(fā)出一種經(jīng)典的計算機算法，在國際計算領(lǐng)域掀起了波瀾，這種算法讓經(jīng)典計算機幾乎可以像量子計算機一樣快速地解決問題。

該問題涉及開發(fā)一個推薦引擎，根據(jù)用戶的偏好數(shù)據(jù)有針對性地推薦產(chǎn)品。

德州大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)計算機科學(xué)與數(shù)學(xué)專業(yè)18歲畢業(yè)生埃文·唐(Ewin Tang)開發(fā)出一種經(jīng)典的計算機算法，可以讓經(jīng)典計算機幾乎可以像量子計算機一樣快速地解決問題

歐盟最近宣布正在研制下一代計算機，其每秒鐘運算能力或?qū)⑦_到十億次。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(UT Austin)理論計算機科學(xué)家斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)教授解釋道:“Exascale意味著每秒運算能力達到10的18次方?！?/p>

“10的18次方已經(jīng)很大了。但是量子系統(tǒng)每秒鐘運算速度能夠達到10的1000次方，這要大得多?！?/p>

經(jīng)典計算的問題是，我們已經(jīng)達到了在一塊芯片上可以容納多少個晶體管的極限——例如蘋果的A11芯片就擠進了43億個晶體管。

摩爾定律——每兩年，微處理器的速度將提高一倍，耗能減半，占用空間減半——終于要崩潰了。

量子躍遷

雖然目前所謂穩(wěn)定的量產(chǎn)量子計算機仍然未能實現(xiàn)，但這項研究本身已經(jīng)產(chǎn)生了有趣的結(jié)果。

英國皇家學(xué)會(Royal Society)研究員、蘭卡斯特大學(xué)(University of Lancaster)量子技術(shù)中心(Quantum Technology Centre)主任羅伯特·楊(Robert Young)教授表示:“如果我們沒有投資于量子計算，激發(fā)埃文·唐(Ewin Tang)靈感的量子算法就不會存在。”

他說，量子研究已經(jīng)開發(fā)出了一種將設(shè)備冷卻到低溫的新方法;此外還有基于光的芯片增強有效改善了光纖寬帶的體驗;以及片上實驗技術(shù)的發(fā)明，從而加速了疾病的診斷過程。

羅伯特教授表示:“登上月球的真正好處并不在于月球本身，而是周邊技術(shù)在登月過程中得到了發(fā)展。”例如全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星導(dǎo)航和圓珠筆只是其中的幾個例子而已。