科学家认为量子计算进入实用阶段前景可期

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在过去的几年里，我们做了很多事情。当然，上帝可能仍然阻止建造量子计算机的梦想实现，但是我认为我们成功的几率非常高。

当被问及在谷歌工作最喜欢什么时，物理学家约翰·马丁尼斯没有提到著名的走廊按摩椅或免费小吃，这些东西在加州山景城的谷歌校园里几乎随处可见。相反，他对谷歌在追求崇高目标时对失败的容忍感到惊讶。“如果他们尝试的每个项目都成功了，他们会认为自己不够努力。”

马提尼酒需要这种耐心。今年9月，谷歌从加州大学圣巴巴拉分校招募了他和他的20名成员组成的研究团队，并给他们分配了一项众所周知的艰巨任务:构建量子计算机。原理是利用量子世界的“怪癖”来进行普通计算机在宇宙的“寿命”内无法完成的计算。

"成功的可能性很高。"

自从它在20世纪80年代早期被提出以来，马丁尼和许多物理学家对建造量子计算机的设想深感失望。实际上，这种计算机所需的量子效应非常脆弱，难以控制。如果杂散光子或来自外部的振动以错误的方式“击中”设备，计算将会失败。即使在今天，经过30年的努力，世界上最好的量子计算机也很难解决一些学校的问题，比如找到素数因子21。答案是3和7。

研究进展如此缓慢，以至于怀疑论者经常将量子计算与聚变能源相比较:革命性的技术，但似乎总是遥不可及。

然而，现在情况可能会改变。量子领域的许多物理学家相信，30年的艰苦工作可能最终会取得成果。今天，它们不仅能产生持续几分钟而不是几纳秒(十亿分之一秒)的量子位，而且在由于外部干扰或其他原因而出现错误时，它们还能更方便地纠正系统。

与此同时，量子软件工程师正在开发一些可以回收机器研发成本的应用，比如用它们来寻找工业生产过程的新催化剂。

制造这种有用且有利可图的量子计算机的前景吸引了谷歌、IBM、微软和其他公司加入游戏。一些学术团体也在将这项技术推向实践。例如，在荷兰的代尔夫特科技大学，*资助的量子技术中心正在召集研究人员发展这一高科技产业。该校的物理学家罗纳德·汉森(Ronald Hanson)说，他可以在5年内制造出通用量子计算机的模块，在10多年后制造出功能齐全的演示机器，尽管这可能很笨重，效率也不高。

马丁尼说他没有固定的时间表，但同样乐观。“在过去的几年里，我们做了很多事情。当然，上帝可能仍然阻止建造量子计算机的梦想实现，但我认为我们成功的可能性非常高。”

“实际上要困难得多。”

科学家在20世纪70年代和80年代初奠定了量子计算的概念基础。其中，最著名的是已故的美国物理学家理查德·费曼。他关于这个主题的报告发表于1982年，被广泛认为开拓了研究领域。在这一领域，最基本的观点是，传统的计算机处于“非此即彼”的模式，这意味着编码给定信息的微小硅电路就像一个开关，要么开，要么关。这意味着它可以在二进制算法中表示诸如“正确”或“错误”或1和0的选择。

然而，在量子场中，“这个或那个”必须让位于“同时存在”模式:如果顺时针和逆时针旋转的电子分别代表二进制中的1和0，那么“支配”这些粒子的亚原子定律使得特定的量子位同时拥有1和0成为可能。

通过扩展，一系列包含量子计算机存储的信息的量子位可以同时存在于1和0的每一个可能的组合中。当传统计算机必须依次尝试每种组合时，量子计算机可以同时处理所有这些组合。此外，由于组合的数量随着存储容量的大小呈指数增长，量子计算机的计算速度有望比传统计算机快得多。

1994年，美国数学家彼得·肖尔(Peter Shor)发明了一种算法，该算法允许量子计算机快速分解较大数的因子。对于标准计算机来说，这种分解方法需要很多时间，这就是为什么它已经成为一种广泛使用的加密技术。肖尔的算法意味着量子计算机原则上可以破解这种加密方法。两年后，贝尔实验室的洛夫·格罗弗设计了另一种算法，展示量子计算机如何大大提高搜索大规模数据库的速度。

这些重要应用的演示很快引起了研究人员和投资机构的注意。接着，有人断言，一台工作的量子计算机将在几年后问世。研究人员在这一领域取得了一些进展，他们设计了专门用于解决特定问题的专用量子器件。然而，实际上要实现建立一台通用量子计算机的最终目标要困难得多，这种计算机可以通过编程来执行任何算法。

即使对于最稳定的量子位，错误也是不可避免的。对于普通计算机来说也是如此，但是对于量子计算机来说尤其麻烦，因为这些误差随着量子比特的数量呈指数级增加。近年来，一个主要问题是量子比特通常每10个操作步骤产生一个错误，并且可用的校正方案没有跟上该错误。

然而，今年4月，马丁尼斯和他的团队宣布他们已经发明了一种被称为“表面代码”的量子计算机纠错技术。在一篇已发表的论文中，该团队描述了如何利用这项技术将量子位的错误率保持在1%。

“这正是我梦寐以求的。”

伦敦大学学院的实验物理学家约翰·莫顿认为，量子误码率的提高和代码处理错误能力的提高极大地改变了这一领域的发展前景。“现在，我们可以专注于升级量子计算机。这是一个激动人心的时刻。”

汉森同意，“目前没有根本的障碍。”在荷兰量子技术中心，汉森正在招聘五名教授级电子工程师，并招聘40名技术人员和研究人员。这样，他可以将量子计算机从实验室研究升级到实用技术。他们的主要任务是研究如何制造大规模量子位阵列，控制量子计算和读取结果，以及如何将量子电路与位于同一芯片上的传统微电子电路连接起来。汉森和他的同事们正在努力开发嵌在微小半导体晶体或量子点中的自旋量子位，以期在未来五年内建造17个量子位阵列的量子计算机。

然而，来自瑞士联邦理工学院的理论物理学家马蒂亚斯·特洛伊(Matthias Troy)认为，实现数百个量子位的目标并不容易，而且成本很高。根据他的估计，假设生产量子芯片至少和生产半导体芯片一样困难，那么要解决一系列问题，如如何连接、控制和制造大量量子位，就要花费100亿美元。因此，在过去的三年里，特罗耶致力于寻找量子计算的“杀手级应用”，这将使开发量子计算机的成本得到回报。在他看来，两个经典应用程序——破解密码和搜索数据库——并不理想。在不久的将来，一个更有成果的应用将是在材料和分子中模拟电子，这对于今天的超级计算机来说仍然是非常困难的。

其他“杀手级应用”可能是寻找新的高温超导性或改进用于从空气或工业排放物中捕获碳的催化剂。“所有这些都是非常重要的问题。如果在这些领域有所突破，100亿美元将轻而易举地归你所有。”

但目前，马丁尼和其他研究领域的“老手”警告说，量子计算仍处于发展的早期阶段。“今天的量子计算相当于第二次世界大战结束后几年的传统计算机。当时，每台设备都处于实验室研究阶段，都是手工制作的。”马提尼酒说。然而，经过多年完善量子位的努力，马提尼酒很高兴终于可以专注于制造能真正解决实际问题的量子电脑。"谷歌给解决硬件问题的科学家起了一个新名字——量子工程师."马丁尼说这正是他梦想的。(燕杰)

中国科学新闻(2014-12-11第三版国际版)

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