科技巨頭按照不同的路線展開量子計算研發大戰
編者按：在摩爾定律即將壽終正寢的時候，量子計算給了人們新的希望。這種有望令全世界所有的經典計算機的能力加起來也黯然失色的新計算機，隨着去年Google宣告實現量子霸權（量子計算機可以實現全世界上最好的經典超級計算機也完成不了的工作），最近又掀起了一輪炒作。量子計算機究竟是如何實現的？它的能力真的有這麼強嗎？我們距離實用的量子計算機還有多久？如果最終證明量子計算只是海市蜃樓會怎樣？《連線》英國版的Jason Koxvold對此進行了剖析，原文標題是：Inside big tech’s high-stakes race for quantum supremacy。篇幅關係，我們分三部分刊出，此為第二部分。
羣雄逐鹿量子計算
在過去十年的時間裏，全球一些最大的公司——包括Google、Amazon、微軟和IBM在內——爭相想要成為第一家制造出可運行，實用的量子計算機的公司。
Google於2013年建立了量子人工智能實驗室。一開始，由Google Glass項目聯合創始人Hartmut Neven 領導的該實驗室，跟美國國家航空航天局（NASA）以及早期的量子先驅D-Wave進行合作。但是在2014年時，它改弦易轍，轉而跟加州大學聖塔芭芭拉分校John Martinis領導的研究團隊簽署了合作伙伴關係，隨後在開發一種被稱為超導量子比特的量子位方面取得了良好的進展。
超導量子比特基於一種被稱為約瑟夫遜結的獨特結構，這種特殊構造的微金屬環有一種很有用的特性，稱為非線性。無論給它施加多少能量，它都只能被限制在兩個能量狀態或兩個能量狀態的疊加上。本質上，它的行為就像一個開關。
實現量子計算有不同的方法——量子比特被懸浮在激光束裏面，困在鑽石裏面，也可以從像MRI掃描儀那樣的機器裏面的數十億個粒子的集中磁校準推斷出來。有些路線是先易後難，一開始實現難度平緩，但隨後難度陡增，而有的路線（比方説超導量子位）則是一開始就是陡峭的學習曲線，但有望更容易擴展到成千上萬個量子位，我們解決現實世界的問題最終就需要這麼多的量子位。
不過，目前大多數主要參與者（包括Google和IBM在內）都是首選超導量子位，因為這種實現方法跟地球上幾乎所有經典計算機的內部硅架構都更加吻合。Boixo 表示：“超導量子比特這種方法一直被視為跟為我們的生活提供動力的經典集成電路最接近的類似物。一旦克服了這種組件的某些缺陷，我們就可以像傳統計算一樣對其進行擴展。我們就將收穫所有的各種好處，而且只需要克服那些不利因素。”
在實驗室，Megrant介紹了他是怎麼用微波脈衝讓每個量子位的能量狀態在0和1之間翻轉，如何通過讓電流通過系統來修改每個狀態的閾值以及量子位之間的耦合強度，從而形成糾纏的。但這一切只有在超級低温的情況下才起作用，而這只是超導量子位如此難以弄好的原因之一。
所有類型的量子比特都非常的挑剔——哪怕一點點的小干擾都有可能會讓它們脱離疊加狀態，所以它們需要儘可能跟環境保持隔離。但是它們也需要加以控制。微軟負責量子硬件的總經理Chetan Nayak説：“你既要努力讓量子計算機的內部機制保持隔離，同時也要能夠告訴它該怎麼做並從中獲取答案。”
Google的低温恆温器旨在逐步降低温度。每一級會變得冷一點；整台機器需要將近兩天的時間才能將量子芯片的温度降至10毫卡爾文，而將其加熱到室温需要將近一週的時間。
Sycamore芯片跟它的前身Bristlecone一樣，都是在UCSB製造的，它就像一塊奧利奧餅乾一樣被夾在中間，從而建立起一個脆弱的約瑟夫遜結。在顯微鏡下，銀絲線伸出到芯片的邊緣。最終，它們連接到一團纏結的藍色導線，後者再將量子比特發出的微弱信號放大並傳送給包圍着每個低温恆温器的其中一個機架。
一位微軟工程師在組裝一台量子計算機低温恆温器的“枝形吊燈”
連接一台機器最長需要兩週的時間：要想增加量子位的數量，Google得找到一種新的佔用空間更少的接線解決方案，或者找到一種從低温恆温器內部控制量子位的方法。Megrant表示：“如果你嘗試把温度降到10mK，很多東西都會崩掉。” 微軟和Google現在都在致力於製造可以在較低温度下運行的經典芯片，以便在不增加干擾的情況下控制量子位。
這一切都是微妙的平衡做法的一部分。每一次量子計算都是一次瘋狂的競賽，以在量子比特疊加“退相”之前的N分之一秒鐘之內執行儘可能多的操作。正嘗試提高量子芯片的時鐘速度並改善這方面性能的芬蘭初創公司IQM的Jan Goetz解釋説：“量子信息的生命週期非常短。你製造的處理器越複雜，生命週期縮得越短。”
在過去十年的時間裏，我們看到不同公司爭相宣告自己實現的量子比特數量在不斷增長。2016年，Google用九量子比特位的量子計算機模擬了一個氫分子。2017年，英特爾實現了17 量子位，隨後IBM造出了一顆50量子位的芯片，且讓量子狀態保持了90微秒。Google在2018年推出了自己的72個量子位處理器Bristlecone，IBM則在2019年推出了自己的第一台商用量子計算機——20個量子位的IBM Q System One。
總部位於加拿大的D-Wave一直以來都是一個異類。自1990年代末以來，它一直在銷售商用量子計算機，並聲稱自己的設備具有數千個“退火量子位”，但是這些實現有着不同的理論方法基礎，僅適用於某些類型的問題。
無論如何，有一點已經變得越來越明顯，那就是量子比特的數量並沒有IBM Research Europe科學技術部門負責人Heike Riel所謂的“量子體積”那麼重要，這是IBM提出的用於測量量子計算機的強大程度的一個性能指標。她説：“量子位的數量固然重要，但這並不是全部。” 量子體積可告訴你在量子位脱離疊加之前可以在幾分之一秒內完成多少有用的計算。
在過去十年的時間裏，Google的大部分工作都放在了慢慢改進相干時間（量子位持續多長時間）和門時間（算法的組成部分——各種邏輯門的速度）上。
跟前身相比，Google 54位的量子比特Sycamore芯片具的量子比特數沒那麼多，但它們被安排到了一個網格里面，從而可以進行更快的計算。Boixo 為芯片設定的任務包括模擬一系列隨機的量子邏輯門輸出——對於傳統計算機而言這是很難做到的，但對於量子芯片而言則相對簡單。
Google量子硬件工程師Anthony Megrant ：“有些人深信我們所做的事情或接下來要做的事情是不可能的”
2019年的頭幾個月，他們的團隊慢慢提高了實驗的難度——給操作增加越來越多的量子比特。一開始的時候，一切看起來都不錯。但到2019年3月時，他們發現自己的量子芯片性能出現了驚人的下降，大概就是複雜度到了超級計算機開始難以處理的程度的時候。在即將超出我們所知的物理學知識範疇進行操作的問題在於，當你遇到問題時，你不知道這是由於製造錯誤，噪聲和干擾所造成的，還是因為遇到了根本性的障礙——一些尚未被發現的宇宙定律。Megrant開玩笑説：“也許量子力學發揮作用就停留在30量子比特位上了。”
事實並非如此——結果表明，問題原來是校準錯誤所致——但一些研究人員認為，可能還存在其他的障礙。即使Google採用了一切技術來保護量子位免受干擾，但機器的錯誤率仍然驚人地高。量子位經常會翻轉到錯誤狀態，或者在不該退相之前就退相了。
糾正這些錯誤是由可能的，但為此你需要更多的量子位——然後需要更多的量子位來糾正那些量子位。按照當前的錯誤率，你得有好幾千或者上百萬的量子位去跑算法才具備實用性。這就是為什麼創造了“量子霸權”一詞的物理學家John Preskill把這一時期稱為嘈雜中型量子（Noisy Intermediate-Scale Quantum，NISQ）時代的原因，這讓我們意識到我們距離實用設備還有很長的路要走。這也是微軟堅信超導量子位是死衚衕的原因。Nayak説：“我們看不到商業規模量子計算機能夠解決當今無法解決的問題的一線希望。”
相反，在這家軟件巨頭的龐大園區裏（大到會議趕場最快捷的辦法是打Uber ），研究人員正在測試一種跟Google的極為相似的低温恆温器，但是如果情況按照計劃進行的話，裏面將會是一種非常不同的量子處理器。
如果説Google攀登量子山峯之路是陡峭的話，那微軟爬的那條路卻有走不了的可能。他們不用超導量子位，而是試圖用一種稱為“拓撲量子位”的另類量子位。唯一的問題是，這玩意兒可能根本不存在。
微軟量子研究實驗室負責量子軟件的總經理Krysta Svore 説：“也許我們進行的是一場馬拉松而不是短跑。拓撲量子比特的基礎是一種叫做Majorana 的理論粒子。這種粒子一次可以對多個位置的量子位狀態進行編碼。如果可以產生出來的話，拓撲量子位可以成為超導量子位更健壯的替代方案，因為其疊加狀態更加不易消除。其結果是，你需要的量子位要少十倍。
Nayak用哈利·波特來打比方。他説：“哈利波特里面主要的反角伏地魔把自己的靈魂分成了七個部分，製造成6個魂器，然後再把這些魂器分散出去，這樣他就不會被殺死。我們對拓撲量子位所做的工作是把量子位擴展到六個Majoranas 。那就是我們的魂器。僅對一個或者另一個進行某些操作是幹不掉伏地魔的。我們的量子位依舊還在。”
但是科學家仍然不能完全確定馬約拉納（Majorana）粒子是否真實存在。相關理論從1930年代就開始形成，但是實驗證據並非無懈可擊。不過，2020年1月我跟Nayak 和Svore交談的時候，他們都充滿信心。Nayak説：“我們不是在抓瞎碰運氣。我們有仿真的指導。”
低温恆温器的底座，用來放置測試用的量子芯片
【來源：新華網客户端】
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