量子計(jì)算機(jī)可能是目前最熱門的各類新生技術(shù)中，最易遭到誤解的一種。這也難怪，畢竟量子計(jì)算機(jī)的基本原理立足于最難掌握的物理學(xué)概念。這導(dǎo)致人們往往會(huì)提出一些荒謬的主張，例如量子計(jì)算機(jī)能夠帶來“神奇的力量”，而且會(huì)構(gòu)成“迫在眉睫的威脅”。

但這些顯然并非事實(shí)——量子計(jì)算機(jī)的主流應(yīng)用至少還需要數(shù)年甚至數(shù)十年之久，而量子算法對當(dāng)前流行的各類加密策略的實(shí)際破解能力可能還需要幾十年才會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。

不過，專家們表示我們已經(jīng)進(jìn)入了量子計(jì)算的新時(shí)代，不少企業(yè)也開始推出商業(yè)化產(chǎn)品。IBM公司最近推出了面向商業(yè)用戶的設(shè)備，而谷歌、Rigetti以及 IonQ 等廠商也已經(jīng)或者即將提供對基于云的量子處理器的訪問服務(wù)。與此同時(shí)，NASA、美國航空航天制造商洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）以及洛斯·阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Lab）也從一家小型企業(yè)手中購置了價(jià)格在1000萬美元到1500萬美元不等的千量子比特量子模擬機(jī)——這家企業(yè)，正是D-Wave公司。

圖：用于D-Wave量子計(jì)算機(jī)的光刻掩模

大家可能會(huì)好奇，這些巨頭為什么會(huì)在技術(shù)發(fā)展的早期階段投入如此可觀的資金購買這么昂貴的設(shè)備。

D-Wave國際公司總裁Bo Ewald在接受采訪時(shí)表示，“這主要是面向研究與實(shí)驗(yàn)用途，目前還沒有推出生產(chǎn)型應(yīng)用。”

既然如此，為何如此大費(fèi)周張？我們向洛克希德馬丁公司、洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室以及大眾汽車等使用D-Wave計(jì)算機(jī)的客戶提出了這個(gè)問題。研究人員們給出的回應(yīng)可以簡單歸納為，雖然D-Wave方案尚處于早期發(fā)展階段，但他們希望能夠最終利用此類設(shè)備解決現(xiàn)實(shí)問題——例如預(yù)測選舉結(jié)果、在交通擁堵中為出租車導(dǎo)航、或者從大量背景噪音中準(zhǔn)確識別出關(guān)鍵數(shù)據(jù)。他們希望能夠盡早從量子計(jì)算的思路出發(fā)，考量這些難題的處理方式。

截至目前，還沒有誰宣稱能夠提供為大眾帶來量子計(jì)算能力的殺手級應(yīng)用方案。雖然D-Wave公司已經(jīng)證明，其能夠?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算模擬，但其它機(jī)器仍能夠以更快的速度執(zhí)行類似的任務(wù)。然而，如果研究人員借此不斷改進(jìn)自己的探索思路，那么由此帶來的成果，將為未來的D-Wave換代機(jī)型或者任何其它量子計(jì)算機(jī)帶來有力的推動(dòng)作用。

從廣義角度講，量子計(jì)算機(jī)是使用“量子位”或者量子比特，而非常規(guī)比特進(jìn)行計(jì)算操作的計(jì)算機(jī)。常規(guī)比特只能進(jìn)行0或1兩種賦值方式，正如只會(huì)指向南方或北方的磁體。當(dāng)計(jì)算完成時(shí)，量子比特同樣必須取0或1中的一個(gè)值，但在計(jì)算過程中其卻可以處于介于兩者之間的值。通過亞原子粒子的數(shù)學(xué)效應(yīng)，各量子比特之間將相互作用，使得每一個(gè)量子比特表現(xiàn)得像是一系列不斷翻轉(zhuǎn)的磁體。

算法將負(fù)責(zé)確定最終值，而最終值可以是這些0和1取值的一種或者多種組合?；诹孔訑?shù)學(xué)，其中某些0和1的組合擁有更高的確定機(jī)率，而其它組合則被排除在外。

包括谷歌、Rigetti、IBM以及IonQ（這里不包括D-Wave）在內(nèi)的大多數(shù)科技企業(yè)都在追求門模型，即希望實(shí)現(xiàn)“通用型”量子計(jì)算機(jī)。這意味著，量子比特以常規(guī)比特的形式被部署在電路當(dāng)中，并接收以“門”（即獨(dú)立量子力學(xué)操作）形式實(shí)現(xiàn)的彼此交互的指令。

D-Wave公司則與此不同，他們推出的是所謂“量子退火機(jī)”，這更像是一種模擬器而非計(jì)算機(jī)。大家可以想象一下，那些不停翻轉(zhuǎn)的磁體，D-Wave設(shè)備將其表示為超導(dǎo)線圈，其中電流可以朝著順時(shí)針或者逆時(shí)針方向行進(jìn)。現(xiàn)在，這些磁體會(huì)在外部電場與磁場中翻轉(zhuǎn)，并最終選擇那些首選、能量最低的指向方位。這種方案只適用于一小部分特定計(jì)算用例。

這其中就涉及一種量子效應(yīng)。如果組合磁體發(fā)現(xiàn)一種機(jī)率幾近最低的能量配置，但存在一些屏障阻止其達(dá)到實(shí)際最低狀態(tài)，則經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的算法可能會(huì)在這里停止。而在量子退火機(jī)中，量子比特仍然可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)換至最低能量狀態(tài)——其被稱為“量子隧穿效應(yīng)”。

這相當(dāng)于在桌上的罐子當(dāng)中放入一塊大理石，但同時(shí)又希望這塊大理石被放置在地板上——這種可能性只有在量子領(lǐng)域內(nèi)才可能實(shí)現(xiàn)。該退火機(jī)實(shí)際上每秒會(huì)執(zhí)行大量的翻轉(zhuǎn)與測量計(jì)算，同時(shí)不斷改進(jìn)，直到得出可能的最低能量答案。

這臺機(jī)器本身看起來有點(diǎn)像是超級計(jì)算機(jī)——一個(gè)體積與壁櫥相當(dāng)?shù)木薮蠛谏耋w，用于將其中的微波芯片提供極低的工作溫度。而且同樣與超級計(jì)算機(jī)類似，希望訪問D-Wave機(jī)器的人們需要通過自己計(jì)算機(jī)上的鏈接接入其處理器，并使用專門的軟件向D-Wave發(fā)出指令并接收由D-Wave生成的輸出結(jié)果。

D-Wave公司已經(jīng)打造出具有128、512以及100量子比特的設(shè)備，目前這一紀(jì)錄已經(jīng)提升至2049量子比特。這類設(shè)備容易出錯(cuò)，且量子比特極易降級為常規(guī)比特。關(guān)于這些機(jī)器的觀點(diǎn)一直存在爭議，不少人甚至認(rèn)為D-Wave對自己的設(shè)備存在過度吹擂的嫌疑。而且直到現(xiàn)在，量子比特在數(shù)量與可控性方面仍然無法給人留下真正深刻的印象，甚至無法承諾其量子比特能夠長期保持穩(wěn)定而不會(huì)降級。

這些計(jì)算機(jī)只能執(zhí)行可轉(zhuǎn)換為上述磁場翻轉(zhuǎn)示例的計(jì)算任務(wù)。有證據(jù)表明，這些計(jì)算機(jī)在解決此類問題時(shí)確實(shí)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但證據(jù)本身仍不夠確鑿。另外由于來自外部環(huán)境的干擾，D-Wave的量子比特很容易失去其量子活動(dòng)特性。

即使存在種種負(fù)面因素，很多企業(yè)與研究人員仍然對其抱有濃厚的興趣。大型強(qiáng)子對撞機(jī)與CalTech公司物理學(xué)家Maria Spiropulu目前就在使用由洛克希德馬丁公司購置，部署于加利福尼亞大學(xué)的D-Wave設(shè)備，用以識別大型強(qiáng)子對撞機(jī)數(shù)據(jù)中的希格斯玻色子。她和她的團(tuán)隊(duì)甚至創(chuàng)建出D-Wave設(shè)備模擬器，以供其他人借此檢測自己的問題是否有必要在真正的D-Wave機(jī)器上進(jìn)行運(yùn)算。

Spiropulu表示，“就個(gè)人而言，我的興趣在于探索是否能夠在量子計(jì)算設(shè)備上獲得無法從其它機(jī)器上實(shí)現(xiàn)的新型解決方案，或者借此更快地摸索到可行的解決方向。我希望不要過多地討論，而是利用一些實(shí)際問題對其加以測試。”

洛斯阿莫斯國家實(shí)驗(yàn)室研究員Dan O’Malley目前正在嘗試使用D-Wave設(shè)備解決水文問題，例如預(yù)測地面之下是否存在沙子或者粘土。初創(chuàng)企業(yè)QxBranch公司高級數(shù)據(jù)科學(xué)家Max Henderson則在使用D-Wave設(shè)備重新模擬2016年美國大選。初創(chuàng)企業(yè)EigenMed公司首席科學(xué)官David Sahner希望D-Wave設(shè)備能夠預(yù)測可能出現(xiàn)的健康問題，從而帶來更好的醫(yī)療保健成效。

大眾汽車的研究人員們亦在努力優(yōu)先汽車交通，并于最近開始利用D-Wave計(jì)算機(jī)解決某個(gè)化學(xué)問題。順帶一提，在此之前，已經(jīng)有人嘗試?yán)肐BM的門模量子計(jì)算機(jī)處理同一問題。

上述問題都擁有著一些共通之處：其中包含很多雙選題，例如“是否患有糖尿病”、“地下存在粘土或者沙子”、“這個(gè)州會(huì)投票給民主黨人或者共和黨人”、“這條路上有車嗎”等等。這些屬于機(jī)會(huì)性因素，而兩個(gè)選項(xiàng)會(huì)分別被映射至某個(gè)或者某組量子比特當(dāng)中，而后利用磁場由D-Wave計(jì)算機(jī)找到可能性最高的解決方案。

雖然某些經(jīng)典的方法也可以解決類似的問題，但研究人員們希望找到新的方法以利用D-Wave計(jì)算機(jī)架構(gòu)描述自己的問題，從而為即將到來的全面量子計(jì)算革命做好準(zhǔn)備。

而且需要再次強(qiáng)調(diào)，這里提到的都是基本的概念驗(yàn)證思維。這些研究人員只想弄清楚D-Wave計(jì)算機(jī)中奇怪的物理特性，并探索基于概率的量子比特與優(yōu)化問題解決能力是否真能發(fā)揮作用。一般來講，這些企業(yè)不會(huì)單純使用D-Wave的設(shè)備，而是同時(shí)配合IBM以及其它廠商的量子計(jì)算系統(tǒng)。

洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們也在進(jìn)行同樣的工作：他們正著手測試高性能計(jì)算機(jī)。洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)、技術(shù)與工程副主任John Sarrao在采訪中表示，“這是我們整體高性能計(jì)算發(fā)展戰(zhàn)略中占比不高、但意義重大的組成部分。”

“這項(xiàng)技術(shù)似乎非常有趣，量子在其中好像確實(shí)發(fā)揮了作用，而且能夠供那些希望加以嘗試的人們體驗(yàn)。對我們來說，這足以說明更為廣泛的整體先進(jìn)計(jì)算戰(zhàn)略并非不可能，我們也有必要對這一部分進(jìn)行深入探索。”

在大多數(shù)情況下，人們?nèi)匀粫?huì)發(fā)現(xiàn)不少D-Wave無法幫助其解決的問題。這同樣非常重要。Sarrao指出，“了解哪些工作是可能的、而哪些不可能同樣意義重大。無論是發(fā)現(xiàn)了一種殺手級應(yīng)用方式，還是意識到某些問題在量子計(jì)算系統(tǒng)上不可行，都屬于值得肯定的積極結(jié)果。”