IBM Q 领跑“量子霸权”，但其背面是很多工程师的梦魇

发布时间：2025-04-29　点此：960次

形形色色的量子核算机如漫山遍野般呈现，那么它们能够用来做什么呢？

图 | 蒸汽朋克吊灯？并不是。这是国际上最先进的量子核算机之一的 IBM Q。

（拍摄：GRAHAM CARLOW）

间隔纽约市以北约 80 千米，在一个生气勃勃的村庄中，一些精美的管子和电子设备缠绕在小型实验室的天花板上。这堆设备实践上是一台核算机。这台名为 IBM Q 的核算机不是一台一般的核算机，它或许行将成为该范畴史上最重要里程碑的核算机。

量子核算机有着远远超出任何经典超级核算机功用的远景。它们能够经过在原子标准上模仿物质的行为来发现新资料，还有着破解一些现阶段不行破解的代码的潜力——这将激烈地要挟现代暗码学和信息安全，乃至有期望经过更有用地处理数据来增强人工智能。

可是，经过了几十年陡峭的开展，直到最近研讨人员才总算构建出了一台量子核算机。这是一个被称为“量子霸权”的里程碑。谷歌是这个里程碑的领导者，而英特尔和微软也有着很重要的奉献。紧接着，一些资金雄厚的量子核算创业公司也呈现了，其间包括 Rigetti Computing，IonQ 和 Quantum Circuits。

可是，在这个范畴还没有哪个竞争者能与 IBM 混为一谈。从 50 年前开端，该公司在资料科学方面取得的成果奠定了现代核算机的根底。这也是为什么上一年 10 月，IBM Thomas J. Watson 研讨中心测验答复这些问题：量子核算机会对哪些问题有优点？咱们真的能够发明出一个有用牢靠的量子核算机吗？

为什么咱们需求一台量子核算机

Thomas J. Watson 研讨中心坐落 Yorktown Heights，于 1961 年建成，看起来有点像幻想中的飞碟。它由新未来主义修建师 Eero Saarinen 规划，并在 IBM 全盛期成为大型商用主机的制作基地。IBM 那时是国际上最大的电脑公司，而且在这个研讨中心建成的十年内，它是国际第五大公司，仅次于福特和通用电气。

尽管从修建内的走廊能够看到外面的村庄，但悉数办公室里边都被规划成无窗的。Charles Bennett 就在其间一间与世隔绝的屋子里。他现已是一位七十多岁的白叟，藏着大片白色连鬓胡子，穿戴黑色袜子和凉鞋，还戴着带有笔的口袋保护器。坐在旧电脑显示器，化学模型以及古怪的小迪斯科球中心，他回想起量子核算的呈现的事，就像发生在昨日相同。

1972 年，当 Bennett 参加 IBM 时，量子物理学现已呈现了半个世纪，但核算依然依赖于经典物理学和信息数学理论（由 Claude Shannon 在 20 世纪 50 时代在麻省理工学院树立）。Shannon 依据存储信息所需的“比特”（这是一个由他遍及但不是他发明的术语）的数量来界说信息的数量。这些比特，也便是二进制代码的 0 和 1，是悉数经典核算的根底。

在抵达 Yorktown Heights 一年后，Bennett 树立了量子信息理论的根底，这将应战信息论的悉数，这个理论依据的是在原子标准上物质的特别行为。在这个标准下，粒子能够一起处在许多状况（例如，许多不同的方位）的“叠加”。两个粒子也能够表现出“羁绊”的性质，也便是改动其间一个的状况或许会瞬间影响到另一个的状况。

Bennett 和搭档们意识到，在量子现象的协助下，人们能够有用地履行几种指数型耗时乃至不或许的核算使命。量子核算机会将信息存储在量子比特，或许叫 qubit 中。qubit 能够以 1 和 0 的叠加的方法存在，而且用羁绊和干与效应来找到在指数量级状况下的核算处理方案。尽管恼人的是很难类比量子核算机和经典核算机，但大体上讲，只要几百个量子比特的量子核算机能够一起履行数量上比已知国际中的原子更多的核算使命。

图 | 量子信息理论奠基人之一 IBM 研讨员 Charles Bennett。他在 IBM 的作业协助树立了量子核算的理论根底。

1981 年夏天，在间隔麻省理工学院学校不远的法国风格大厦 Endicott House，IBM 和麻省理工学院组织了一次名为“核算物理第一次会议”的里程碑式活动。

其时，在草坪上坐着许多核算和量子物理史上最有影响力的人物，其间包括开发第一台可编程核算机的 Konrad Zuse 和量子理论重要奉献者 Richard Feynman。Feynman 在会议上作了主题讲演，他提出运用量子效应进行核算的主意。“量子信息理论最大的助推来自 Feynman，”Bennett 告诉我，“他说，'自然是量子的！所以假如咱们想模仿自然界，咱们需求一台量子核算机。'”

现存最有潜力的量子核算机之一，IBM 的量子核算机坐落 Bennett 办公室的大厅正下方。该机器被规划用于创建和操作量子核算机中的根本元素：存储信息的量子比特。

抱负与实践的间隔

IBM 的机器运用超导材猜中的量子现象。比如说，超导体中的电流将一起顺时针和逆时针活动的现象。IBM 的核算机由超导电路组成，其间两个不同的电磁能量状况组成量子比特。

这种超导完成方案具有许多要害优势。它的硬件能够运用现有老练的工艺办法来制备，而且能够运用传统的核算机作为控制体系。超导电路中的量子比特也比单个光子或离子更简略控制，而且对噪声不太灵敏。

在 IBM 的量子实验室内部，工程师们正在研讨一个具有 50 个量子比特的核算机。现在人们能够在一台一般的核算机上运转一个简略量子核算机的模仿，可是关于大约 50 个量子比特的量子核算机就简直不或许了。

这意味着 IBM 理论上正在挨近量子核算机能够处理而传统核算机无法处理的问题：换句话说，量子霸权。

但正如 IBM 的研讨人员所说，量子霸权是一个难以捉摸的概念。你需求悉数 50 个量子比特才干完美作业，而实践上量子核算机却被纠错问题所困扰。在任何时刻标准内保持量子比特也十分困难; 他们倾向于“退相干”，也便是说失掉其奇妙的量子性质，就如烟圈在最细微的气流中分化相同。而量子比特越多，这两个问题的处理就变得越困难。

图 | 量子核算的尖端科学需求纳米标准的准确度与家用电子产品的修补精力相结合。图为研讨员 Jerry Chow 展现一个 IBM 量子研讨实验室的电路板。

“假如你有 50 或 100 个量子比特，而且他们的确作业得很好，有彻底纠错才能，你就能够做一些“不或许的核算”，这些核算现在或曾经都不能在任何经典核算机上仿制，”耶鲁大学教授，Quantum Circuits 公司的创始人 Robert Schoelkopf 说，“量子核算的另一面是它存在着指数级的犯错概率。”

另一个值得注意的原因是，即便是具有完美功用的量子核算机，其有用性或许也并不显着。它不会简略地加速你给它的任何使命; 现实上，关于许多核算来说，它比传统机器要慢。迄今为止，只要少量算法在量子核算机明显具有优势的情况下被规划出来。即便关于那些算法，这些优势也或许是短寿的。最著名的量子算法是寻觅整数的质因子，由麻省理工学院的 Peter Shor 开发。许多常见的暗码方案都依赖于这个现实，即传统核算机难以完成大整数分化。可是暗码学也能够做出改动，发明出不依赖分化的新式暗码。

这便是为什么，即便挨近 50 个量子比特的里程碑，IBM 的研讨人员也热衷于消除环绕它的炒作。Jay Gambetta 是一位身材高大、性情和顺的澳大利亚人，他研讨量子算法和 IBM 硬件的潜在运用。“咱们处在这个共同的阶段，”他说，“咱们有比在传统核算机上可模仿的杂乱得多的设备，但它还不能准确地控制到能够运转任何你了解的算法的程度。”

但让 IBM 职工欣喜的是，即便是不完美的量子核算机也或许是有用的。

Gambetta 和其他研讨人员现已注意到 Feynman 在 1981 年所做出想象的一个运用。化学反应和资料性质取决于原子和分子之间的相互作用，而且这些相互作用受量子现象的分配。量子核算机至少在理论上能够树立那些用惯例办法无法模仿的化学资料模型。

上一年，Gambetta 和他的搭档们在 IBM 运用了一个 7 个量子比特的机器来模仿氢化铍的准确结构。尽管只包括三个原子，但氢化铍是用量子体系所能模仿的最杂乱的分子。终究，研讨人员或许会运用量子核算机来规划更高效的太阳能电池，更有用的药物或是能将阳光转化为清洁燃料的催化剂。

这些方针还有很长的路要走。可是，Gambetta 表明，或许能够从一台与经典核算机适当的简略犯错的量子机器中取得有价值的成果。

图 | 各种类型的量子核算方案

科学家的愿望，工程师的梦魇

“那些使咱们认识到量子核算的噱头实践上是实在的，”麻省理工学院一位说话温文的教授 Isaac Chuang 说。“但现在，它不再是物理学家的抱负，而是工程师的梦魇。”

在九十时代后期和二十一世纪初，Chuang 在坐落加州阿尔马登的 IBM 部分领导了一些最早的量子核算机的研讨。尽管现已不再做这类研讨作业，但他以为咱们正处于一个十分重要的起点阶段——量子核算终究将在人工智能中发挥作用。

但他也置疑，除非新一代的学生和黑客开端运用实在的量子核算机，不然革新不会真实开端。量子核算机不只需求不同的编程言语，而且需求本质上不同的思想方法来编程。正如 Gambetta 所说：“咱们并不知道量子核算机上的‘Hello，world’是什么姿态。”

但他们正在开端找出这种对应。2016 年，IBM 将一台小型量子核算机连接到云端。运用名为 QISkit 的编程工具包，你能够在其上运转简略的程序; 不计其数的人，从学术研讨人员到小学生，现已树立了运转根本量子算法的 QISkit 程序。现在谷歌和其他一些公司也在将他们的新量子核算机联网。你不能对它们做许多工作，但至少它们会让前沿实验室以外的人测验一下未来或许会完成的工作。

创业集体也越来越振奋。在多伦多大学的商学院量子创业公司的一场出资竞赛上，一些企业家团队严厉地站起来，向一群教授和出资者介绍他们的主意。一家公司期望用量子核算机来模仿金融市场。另一家方案规划新的蛋白质。还有一家想要构建更高档的 AI 体系。但在这个房间里，没有人注意到的是，每个团队都在提出一项以一种还不存在的革新性技能为根底的事务，简直没有人对这一现实感到恐惧。

假如第一台量子核算机还需求好久才找到实践用处，那么这种热心就会很快消失。那些真实了解困难的人（如 Bennett 和 Chuang）的猜想是，第一批有有用性的机器还需求几年的时刻。而且这是在假定办理和控制很多量子比特的问题并不会终究被证明很扎手的前提下。

不过，这些专家们仍是抱着很大的期望。当问到现在大约 2 岁大的孩子长大后量子国际会变成什么样时，经过玩微型芯片学会运用电脑的 Chuang 笑着回应：“或许这个孩子将有一个用于树立量子核算机的工具包。”

告发/反应