潮起量子计算

微软公司的研发部门近日透露，微软正大手笔投入一项研究，有望发明一种颠覆式的新型电脑：量子计算机。量子计算机的最大亮点在于，它能够完成传统计算机无法有效实现的复杂计算任务。

在近日《麻省理工科技评论》举办的数字化峰会上，微软研发部的负责人Peter Lee称，量子计算机的研发堪比20世纪40年代贝尔实验室研发世界上第一个硅晶体管的尝试。“我们正在探索一种可以替代硅晶体管的设备。”

Lee透露此前微软对量子计算机的研究非常低调，但目前非常乐观的研发结果使得微软决定不再讳莫如深。

如何突破传统计算机中半导体芯片尺寸的极限，是21世纪的重大科学课题。当芯片元件做到纳米尺寸，微观客体的运行机制就要服从量子力学。

这就诞生了一个革命性的设想：利用量子科学开发出新的信息处理功能，即量子计算机。

微软公司并不试图立马制造出一台量子计算机，相反，其研究的重点是研发出一版可靠的量子比特（Qubit）――它是量子计算机的基本信息单元，而且可以使量子计算机具备远超传统计算机的数据处理速度。

传统计算机使用1和0存储信息并进行计算，而量子计算机的特殊之处在于利用量子效应，达到“叠加状态”，即可以同时处于1和0的数据状态。两个量子比特就能表示00、01、10、11四种状态。

因此理论上，300个量子比特可承载的数据就能是2的300次方，对比300个传统计算机的比特能够承载的数据只有2的300倍。

这使得量子计算机在数据信息处理方面的速度让传统计算机无法企及。它将为人们在大数据、云计算等领域提供无比强大的运算工具。

科学界认为，过去十年发生在传统计算机上的指数级增长的计算能力已经到了尽头。

传统计算机对数据的处理是串行计算，而量子计算机是并行运行，运算速度呈指数上升。并行运行有多快？量子计算机之于传统电子计算机的速度，就相当于电子计算机之于算盘。

但技术层面还面临障碍。在实际系统中，量子相干性很难维持。微软的研发人员尝试了量子比特的不同设计，但是没有一种叠加状态是持续稳定的，因此制造出一台商用的量子计算机似乎还很遥远。

微软在不断尝试，包括研发出特殊的工具用于量子实验，并且把这些工具与学术界分享。这些工具包括云模拟平台，以及用于超低温的环境下量子硬件实验的新型电子仪器。

除微软之外，美国的其他科技巨头也在发力量子计算。

2013年，谷歌联手美国航天局建立了一个量子人工智能实验室，旨在利用量子计算技术推动机器学习（人工智能的核心）领域的发展。

微软的量子计算机在美国尚未实现商用，但在美国近邻加拿大，一家名为D-Wave Systems的公司却声称已经出售了几台这样的计算机。

D-Wave目前只有极少的客户，其中包括美国国防承包商洛克希德・马丁、美国宇航局，以及谷歌公司和美国情报局共同投资的量子人工智能实验室（Quantum AI Lab）。

2011年它签署了第一家客户合同：洛克希德・马丁支付了1000万美元购入一台量子计算机，用于自动检测复杂项目遭遇的软件故障。

2013年，它以1500万美元的价格将改良版的D-Wave II卖给了谷歌，该计算机的速度据称比传统计算机快3.55万倍。

2013年，这家加拿大公司收到了3000万美元――其中有来自美国中央情报局投资的In-Q-Tel以及亚马逊创始人杰夫・贝索斯――用于量子计算机的研发。

D-Wave在公司网站上大胆预言：量子计算机可能代表的是计算能力的一场伟大革命，它能够解决传统计算机几百年才能完成的任务，并且能够给解码、纳米技术、医疗、人工智能等诸多领域带来颠覆式的影响。

2014年2月17日出版的《时代周刊》，以封面文章报道了量子计算机的概念以及加拿大的这家公司。

该公司的首席执行官Vern Brownell在今年2月10日的一篇博文中称，公司早期创立时就“聚焦制造技术”，这使得他们得以制造出世界上第一台可以量产的量子计算机。“聚焦超导量子集成电路的制造技术，对于量子计算机的硬件和软件生态系统的建立至关重要。只需要想象一下，半导体制造技术对于传统计算机的硬件和软件的生态系统的重要性和必要性就可知了。”

量子计算机虽然受到了投资者的追捧，在学术界却饱受争议。

一些研究者指出，尚未有明确的证据表明，这种所谓的量子计算机颠覆了传统计算机。

麻省理工学院的Scott Aaronson教授是质疑者中的代表。他指出，量子计算机能否以更快的速度解决问题，仍旧是个疑问，D-Wave公司必须证明，量子芯片能够发挥“量子加速”的优势。

针对这一点，2014年6月19日发表在《科学》杂志上的一份研究报告显示，科学家们通过在D-Wave II和传统PC上运行“匹配优化算法”，来比较两者运算速度的差异。结果，科学家发现“没有证据表明，量子计算机运算速度更快”。

中国科学院院士、量子信息重点实验室主任郭光灿接受《中国科学报》记者采访时亦指出，量子效应持续时间极短，从一个侧面说明D-Wave并不是一台真正的量子计算机，因为它“没有体现出量子计算机并行运算的优势”。

但是，这样的测试可能低估了D-WaveⅡ的实力。《新科学家》（New Scientist）的一篇文章指出，很多用于测试的问题都存在一个缺陷，就是缺乏挑战性，这导致D-Wave不能真正地发挥出量子优势。

无论D-Wave能否让科学家们满意，这对于吸引投资者和技术公司来说并不打紧。在很多的商业领域，计算力量是保持竞争力的重要一环，而公司和政府部门可能有更紧迫的动机来相信量子计算机的未来。

风险投资公司Draper Fisher Jurvetson的合伙人Steve Jurvetson就表示，“量子计算机的应用空间是无限的，包括股票交易、分子模拟、密码破解、电子商务，还有谷歌、微软这样的技术公司。”

量子计算机还可能成为银行、军事等国家安全体系的高科技装置。

美国已经启动了被命名为“微型曼哈顿计划”（“二战”时期研制原子弹，被称为“曼哈顿计划”）的量子芯片研究计划，并且把半导体量子芯片科技列为未来九大战略研究计划之一，而且其重要性排在第二位。

另据《华盛顿邮报》报道，从爱德华・斯诺登那里获得的文件显示，美国国家安全局正在打造量子计算机，用于破译大多数类型的加密技术。

这是一个投入达7970万美元的研发项目――“渗透高难目标”（Penetrating Hard Targets），据说正在马里兰大学帕克分校的一个实验室秘密进行。

如果量子计算机真的诞生，那么它将解决这个世界上最棘手的一些计算问题。

中科院物理研究所研究员刘伍明指出，传统计算机正遇到摩尔定律的极限，而顶破天花板的正是量子计算。

“比如搜救失联的马航客机，它挑战了人类现阶段的能力。如果我们有一台强大到足以处理所有海面数据和航行数据的计算机，找到MH370并非难事。”刘伍明表示。

量子计算机还可能解决目前软件工程师称之为“优化”的问题，它是机器学习的根本，是一系列技术的基础，是语音识别、产品推荐，以及谷歌、亚马逊这些高度依赖大数据的研究重点。

在美国南加州大学就安装了一台D-Wave计算机，该校的Bob Lucas教授长期从事超级计算和量子计算的研究。Lucas表示通过不断的实验，他对于量子计算技术的认识已经逐步从“高度怀疑”转变为“谨慎乐观”。