面對氣候變化等生存危機，也許我們只是需要一臺量子計算機

文章來源:造就田曉娜2020-07-29 09:19

量子競賽

20世紀90年代，量子比特只是一個純理論構想。科學家們需要找到或創(chuàng)造一種既小到能夠遵守量子力學定律，又大到能夠控制的東西。

過去十年里，谷歌、亞馬遜、微軟、IBM等公司你追我趕，都想成為第一個制造出量子計算機的公司。

2013年，谷歌建立了量子人工智能實驗室，致力于通過超導量子比特，實現(xiàn)量子計算。超導量子比特的研發(fā)是基于一種被稱為約瑟夫森結(jié)的獨特結(jié)構——一種特殊構造的微小金屬環(huán)，具有非線性特性，可以被限制在兩種狀態(tài)的疊加。本質(zhì)上，它就像一個開關。谷歌和IBM等公司都將超導量子比特作為量子計算機的突破方向。

在谷歌實驗室中，梅格蘭特解釋了如何使用微波脈沖將每個量子比特的能量狀態(tài)在0到1之間轉(zhuǎn)換，以及研究人員如何修改每個狀態(tài)的閾值和量子比特之間的耦合強度來實現(xiàn)糾纏。

但這些必須在極低的溫度下進行，因為所有類型的量子比特都非常挑剔——最輕微的干擾都能使疊加狀態(tài)消失，所以需要盡可能地把它們與環(huán)境隔離，但同時還要想辦法控制它們。

微軟工程師正在組裝量子計算機低溫恒溫器的“枝形吊燈”

微軟和谷歌目前都在制造一種可以在較低溫度下工作的芯片，從而在不增加干擾的情況下控制量子比特。這是一場與時間賽跑的比賽，必須在量子比特疊加狀態(tài)消失之前的幾分之一秒內(nèi)完成盡可能多的運算。

在過去十年中，量子比特的數(shù)量在不斷升級。2016年，谷歌用9個量子比特模擬了一個氫分子；2017年，英特爾實現(xiàn)了17個量子比特；同年，IBM宣布制造了一個50個量子比特的芯片，可以將量子疊加狀態(tài)維持90微秒；2018年，谷歌推出了擁有72個量子比特的處理器Bristlecone……

谷歌的Sycamore芯片只擁有54個量子比特，但是這些量子比特被安排在一個網(wǎng)格中，加快了計算速度。在2019年伊始，谷歌團隊逐漸增加了實驗難度。起初，一切看起來進展順利，但幾個月后，他們發(fā)現(xiàn)量子芯片的性能出現(xiàn)了顯著下降，其復雜度與超級計算機模擬量子比特的復雜度差不多。

遇到一個問題，很難知道是由于制造錯誤、噪音和干擾，還是因為遇到了一個本質(zhì)問題——一些未被發(fā)現(xiàn)的宇宙定律。“也許量子力學在30個量子比特就停止了，”梅格蘭特開玩笑說。

最后，他們發(fā)現(xiàn)問題是一個校準錯誤引起的。但一些研究人員認為，可能還有其他影響因素，因為即使谷歌盡一切努力保護量子比特不受干擾，計算錯誤率仍舊居高不下。當然，我們可以對這些錯誤進行校正，但需要更多的量子比特——然后需要更多的量子比特來校正這些量子比特。

這就是為什么創(chuàng)造了“量子霸權”一詞的物理學家約翰·普萊斯基爾（John Preskill）認為，我們離真實的量子計算機還有很長的路要走。也因此，微軟確信超導量子比特是一條走不通的死胡同。微軟量子硬件部門的總經(jīng)理凱坦•納亞克（Chetan Nayak）說：“商用量子計算機怎樣解決傳統(tǒng)計算機無法解決的問題，我們看不到任何希望。”

微軟選擇了另外一條道路：微軟目前正在測試一種低溫恒溫器，看起來和谷歌的恒溫器非常相似，但是將用于一種不同類型的量子處理器。

如果說谷歌登上量子霸權山頂?shù)穆贩浅Ｆ閸纾敲次④浺苍S一開始就走錯了方向。他們試圖利用一種被稱為“拓撲量子比特”的東西來代替超導量子比特。唯一的問題是，這種東西可能并不存在。

拓撲量子比特是基于一種叫做馬約拉納費米子的粒子，能同時在多個地方編碼量子比特的狀態(tài)。納亞克用《哈利·波特》中的例子來解釋拓撲量子比特：

“故事的反派Boss伏地魔把靈魂做成了七個魂器，藏在不同的地方，這樣他就不會被殺死。”“我們用拓撲量子比特所做的，就是將我們的量子比特分散到6個馬約拉納費米子上，這就是我們的魂器。僅僅對它們中的一個或另一個做點什么，是不能殺死“伏地魔”的，量子比特仍然在那里。”

但是科學家們始終無法確定馬約拉納費米子是否存在。自20世紀30年代以來，人們就開始將其理論化，但實驗證據(jù)并非無懈可擊。盡管如此，微軟卻很自信。內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com