还记得“量子计算机”吗? 微软和谷歌要宣布重大突破了

摘要：如果量子计算机能够 1) 解出无法被传统计算机破解的人工难题或 2) 有效操纵50个左右量子比特，即实现了相对传统计算机的“量子霸权”。据外媒，谷歌和微软将于近期宣布在量子计算领域的重大突破。

与AI（Artificial Intelligence，人工智能）、5G、无人机以及AR（Augmented Reality, 增强现实）的公众热度相比，从理论提出发展到现在已逾35年的量子计算 (quantum computing) 领域显得颇为冷清。

但与公众的一知半解相比，学术界与科技巨头却在紧锣密鼓地推进量子计算的相关研究，并且距离“临界点”越来越近。据英国金融时报，微软和谷歌将于近期宣布在该领域的重大技术突破。

究竟什么是量子计算？

传统计算机的基本数据单位是比特，而量子计算机以量子比特 (quantum bits/ qubits) 衡量。当比特只能实现对二进制数据0或1两者其一的呈现时，量子比特利用量子物理学上的叠加 (superposition) 现象，可以实现对0和1两种状态的“同时”呈现。

在两个量子比特之间存在的量子纠缠（entanglement）现象，理论上可以实现极多线程的平行计算，甚至跨越空间限制的即时通讯。

量子计算在实际应用上之所以还面临目前的瓶颈，是因为量子计算需要克服环境噪声、比特错误和实现可容错的普适量子纠错等一系列难题，真正的量子计算机研发挑战巨大。

追逐“量子霸权” 微软和谷歌要后来居上

近来，科技巨头纷纷宣布重要进展。除IBM的50量子比特计算机原型，英特尔也在本月宣布研制49量子比特的测试芯片。但这些企业没有发布详细性能报告，用词离不了“原型”和“测试”，更没有宣称已经实现“量子霸权” 。

有观点认为，如果量子计算机能够 1) 解出无法被传统计算机破解的人工难题或 2) 有效（即在叠加、纠缠之后仍可容错的前提下）操纵50个左右量子比特，即实现了相对传统计算机的“霸权”。这种“量子霸权” (quantum supremacy) 正是各科研机构竞相追逐的目标。

谷歌选择了前者。2017年4月，谷歌公布其实现“量子霸权”的路线图，声称将在2017年终前，利用49量子比特的模拟系统攻克传统计算机无法解出的难题，并将于近期披露相关论文。金融时报援引南加州大学教授、量子计算领域专家Daniel Lidar称，若谷歌能够成功实现这一壮举，意味着“计算领域出现新的‘第一次’，量子计算机将跨过一道重要门槛”。

而微软则选择了后者，并将其研发重点放在了“有效操纵”上。金融时报援引微软量子团队主管Todd Holmdahl称，微软“已经非常接近”宣布其第一个有效量子比特。虽然在规模上远落后于其他业界竞争对手——IBM早在1998年就宣布其完成了第一个量子比特原型——但微软试图在“质量”上超越对手。

微软的量子比特设计试图攻克该领域最大的障碍之一——普适量子纠错（error-correction）。量子比特从性质上来说就极不稳定，其量子态只能维持极短的时间，而要经过大量对环境噪声和比特错误的后期处理才能解读出非常有限的计算结果。

微软另辟蹊径，希望通过将呈现量子态的电子“打碎”，实现在多处同时存储同一信息的能力。即便量子比特的一部分失真，其所包含的信息并不会因此丧失，使得整个系统的稳定性大大提高。微软将这种内含纠错特性的新型量子比特称作“拓扑量子比特” (topological qubits)，并相信新机制将令他们大大超越目前的业界水平。Holmdahl称，

[其他机构采用的不稳定量子比特]内含非常多的错误，最后只能前功尽弃。他们需要上千甚至上万个量子比特，而我们只需要这一个，因为我们的纠错能力远超过他们。

而完成第一个有效量子比特，也仅是微软漫漫长路上的第一步。目前的量子计算技术要完全代替传统计算机产业，满足商业化的规模生产需求，还为时尚早。