IBM造了一台可以让任何人使用的量子计算机

史万春/译

选自英国《经济学家》杂志 2016年5月7日

IBM造了一台可以让任何人使用的量子计算机

史万春/译

选自英国《经济学家》杂志 2016年5月7日

利用量子力学（quantum mechanics）原理进行计算，其速度将会远超传统计算机，这种想法几十年前就已经出现。20世纪80年代早期，有人首次提出了这种预想；但是直到20世纪90年代晚期，这种构想才从理论家的黑板上走入现实，有人造出了简易的量子计算机，证明了那些黑板上的公式并非异想天开。现如今，这个构想已经变成了公司项目。谷歌（Google）、微软（Microsoft）、惠普（Hewlett-Packard）和IBM纷纷成立量子计算机研究小组。

但是量子计算对外界的影响仍然很小，部分原因是量子计算机仍然只存在于实验室中，只有研究人员可以鼓捣这些机器。但现在不同了。因为就在5月4日，IBM宣布将会把公司的一台量子计算机连接至互联网，这样一来任何人都可以使用这台计算机。

量子计算令人激动之处在于它提供了这样一种可能——即以远超任何传统计算机能够达到的速度运行某些运算（并非所有运算）。量子计算机的这种能力来源于两个违反直觉的现象：量子叠加（superposition）现象和量子纠缠（entanglement）现象。

量子叠加让传统基本计算单元比特（bit，二进制信息单位——译注）变成了量子位（qubit）。一比特代表了一个可能的最小信息块：开/关；是/否；1/0。而一个量子位则是两种对立信息的叠加与混合。比如，一台传统计算机中的4比特可以代表16种不同的状态；在某一个特定时间，该机器只能处在其中一种状态。而量子计算机则可以处在所有16种不同状态的叠加状态之中。

但量子纠缠现象——将粒子连接到一起——才是量子计算机出类拔萃的真正原因。量子纠缠使得同时操控大量量子位成为可能，当量子位数量增长，机器能代表的状态数也呈指数级增长。拥有300量子位的量子计算机能够代表的状态数超过了整个宇宙的原子数量。

结果就是量子计算机可以轻易处理海量数据。以往困难的任务——比如破译密码和模拟精确到分子的化学反应——都可以被轻易解决。而传统计算机则难以胜任类似这些对于各种各样的工业流程都很重要的任务。

300量子位的量子计算机还是一个梦想。IBM此次提供的只是一个5量子位的处理器，造在一块超导金属回路芯片上。该处理器悬挂在纽约州约克敦海茨（Yorktown Heights）IBM研究中心的一个大型冲氮冰箱的底部。冰箱让芯片保持在接近绝对零度（可能的最低温度），从而确保芯片脆弱的内部构造不会被任何热量影响。不同的量子位会响应不同的频率，通过向冰箱内部传输小心校准后的微波，研究人员可以对芯片进行编程。

然而普通用户并不会知道上述复杂的技术原理。这倒和音乐有一点像：五线谱中的每一条线代表一个量子位；一组音符就好像是一组量子操作。当一个程序完成（IBM也用音乐中做比喻，把程序叫做“曲谱”）后，用户只需按一下按钮，芯片自动完成接下来的工作。

《经济学家》（The Economist）杂志记者亲眼观看了IBM项目主管杰瑞·周（Jerry Chow）使用量子计算机运行格罗夫算法（Grover's algorithm，一种为了搜索未分类整理数据的量子算法），确实比传统计算机快了许多。传统计算机会将每一个数据都搜索一遍，从而找出需要的数据（以扑克牌为例，为了搜索黑桃A，传统计算机会进行52次搜索尝试）。量子计算机则只需要进行略少于总数平方根的尝试，还是以扑克牌为例，要找到黑桃A，量子计算机只需要进行6次搜索尝试。

一个5量子位的芯片本身无法让世界轰动。麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的量子计算研究员斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）表示，一台普普通通的笔记本电脑就能够模拟40或50量子位的量子计算机。据周博士所说，IBM计划在科技发展后，更新其量子芯片，但眼下没有制造民用量子计算机的计划。他只是希望能有越来越多的人了解量子计算的基本原理，并鼓励程序员了解该项技术。而最好的办法就是让人们可以“亲自”操作机器。

与传统计算机不同的是，量子计算机计算出的答案是概率性的，而非确定性的。一个结果仅仅可能是正确的，如此一来如何利用量子计算机则变成了挑战。要想获得答案，首先人们必须对机器进行度量。这会导致量子叠加效应消失，量子计算机变得类似传统计算机。小心仔细的管理是获得答案的方法，人们必须确保获得正确答案的概率变大，同时获得错误答案的概率变小。

量子计算机需要人们小心保护。量子计算机的叠加状态非常脆弱，外界一些细微的影响——一束电磁波或者细微的温度变化——会让其“状态”消失无踪。要想让量子计算机正常工作，人们必须将它和其他所有东西隔离开来。它需要厚实的保护还有极低的温度，这意味着量子计算机不可能被制造成桌面电脑或是智能手机。也就是说，那个未来商用的巨大量子计算机可能和IBM现有的量子计算机雏形一样，待在遥远的数据中心。它们连接着互联网，当传统电脑的使用者需要时，它们的才华才会被唤醒。

原文标题：Now Try This IBM Is Making a Quantum Computer Available for Anyone to Play with