量子计算的麻烦

似乎一个月都不能在量子计算中克服一个“关键障碍”，让我们离实现实用设备“更近了一步”。如果你相信这些声明，我们离实现这一雄心壮志只有几年的时间了:它将使今天用于保护数据的许多加密密钥变得毫无用处。

布里斯托尔大学的研究人员阿什利·蒙塔纳罗说:“量子计算机基于一种完全不同的计算模型，它利用量子力学的奇异特征——比如叠加和纠缠——来做标准计算机不可能做的事情。”

叠加和纠缠使重新设计计算机算法成为可能，以执行诸如分解大型半素数等工作，这些半素数是保护数据免受窥探的一些最流行工具的基础。而数字计算机位只能在0和1的状态之间切换，直到进行测量时量子崩溃的那一刻，叠加允许它们的量子对等物——量子位——有可能保持其中任何一种状态。量子计算机可以利用概率的变化将计算推向预期的结果，并在这个过程中执行相当于数字计算机上更多的计算。

量子比特的另一个优势是它们能够被纠缠。量子纠缠是一种现象，两个量子粒子以这种方式相互作用，它们变得紧密相连，并基本上“共享”它们的存在。如果在量子坍缩的时候，一个粒子处于某种特定的状态，那么它的一对粒子就会立即形成互补态。纠缠的量子比特相关性可以像量子比特之间的隐形电线一样，允许它们进行通信。

这些功能非常强大。原则上。进入量子计算机在棘手任务上胜过经典计算机的阶段——被称为“量子霸权时代”——充满了困难和障碍。

迄今为止开发的算法很复杂，需要为每次计算调整经典和量子技术的仔细平衡。没有一种类似于C或Pascal的高级语言可以简化编程工作(参见方框:如何为量子计算机编程?)但是，即使在考虑这种实用性之前，科学家们也面临着巨大的挑战。最大的问题是噪音——这也是为什么科学家要在接近液氦的温度下进行量子计算实验的原因之一。噪声会导致退相干，并不可避免地崩溃到经典状态，如果它发生得太快，就会破坏计算结果。

如果一个量子态与一个光子或任何其他粒子相互作用，或者仅仅因为固有的量子噪声，那么编码十亿种计算可能性的量子态可能会缩小到只编码其中一种计算可能性的经典状态。耶路撒冷希伯来大学的Gil Kalai教授解释说，这种噪声是一种复杂的现象，是由于“当我们描述或控制量子系统时忽视了一些‘自由度’”。

不引起退相干的噪声可以引入其他误差。最基本的量子电路——被称为量子门——不能以完美的精度制造出来。在更大的设备中，它会导致小缺陷的累积，这些缺陷结合在一起导致量子计算机无法运行。这种量子噪声曾被认为是量子计算不可逾越的障碍，直到Peter Shor教授和Andrew Steane教授在20世纪90年代独立描述了第一个量子纠错代码。

“在此之前，人们认为量子计算机是一个有趣的理论想法，但它永远无法在实践中实现，”牛津大学的大卫·卢卡斯教授证实了这一点。

肖尔的突破使得量子计算在实际层面上成为可能。研究人员正忙于工作，试图实现不仅更容易处理，而且可以利用纠错的量子比特类型。

构建量子比特的新方法包括使用量子点的自旋、光子的极化或电子的电荷——任何可以存在于物理上可区分的量子态的量子叠加中的东西。

当今最先进和最有前途的两种量子计算机技术依赖于捕获离子或超导电路。IBM今年发布的五量子比特量子体验(QX)设备使用超导量子比特。这些量子比特是电子设备中来回振荡的电磁波。IBM的QX不仅是可编程的，而且任何人都可以通过互联网使用。IBM实验量子计算团队经理周杰(Jerry Chow)表示:“我们将IBM QX视为量子社区的诞生，让用户对编程和使用量子计算机有了更好的直觉。”超导电路的优点是可以使用与硅芯片相同的光刻和制造技术来制造。它可以集成在固态平台上，维护量子比特所需的硬件只需打印在芯片上。

在IBM五量子比特系统中，可以运行一个基本的错误检测实验。具体来说，他们的四个量子比特可以包含数据。它们与剩余的量子比特耦合，称为综合征比特，其功能类似于传统硅存储器中的错误检查“奇偶校验位”。症候群量子比特的状态取决于所有其他量子比特的奇偶性。“基本上，我们可以测量一个‘症候群量子比特’来检测周围一组四个‘码量子比特’的联合宇称，”Chow解释道。“需要执行多轮这种类型的奇偶校验来跟踪错误并纠正它们。”

IBM的5量子比特机器在量子位上太短了，无法解决普通计算机无法解决的问题。蒙塔纳罗补充说:“然而，这些小规模的实验是非常宝贵的试验台，既可以扩大技术规模，也可以检查我们的算法是否真的有效。”

被困原子离子的自旋也有望成为量子比特的来源。原子离子可以被附近电极提供的电磁场所限制，并被激光冷却以形成线性的量子位晶体。虽然与气体分子的碰撞可以暂时破坏晶体并扰乱量子比特，但离子不会轻易被抛出陷阱，而且每个离子大约每小时只发生一次这样的中断，如果陷阱被放置在低温真空室中，这种中断就会少得多。

卢卡斯解释说:“这就是为什么一些最好的原子钟是用困离子制成的。”“这些离子与环境隔离得很好，使它们的量子比特状态的退相干时间比周围的任何量子位都要长——也就是说，任何量子位都有可能实现双量子位量子逻辑门。”

卢卡斯的离子阱量子计算小组测量了钙-43量子比特的50秒相干时间，他认为“这仍然是量子比特可以单独控制的系统的世界纪录”。然而，他们只使用了一两个量子位来实现这个生命周期。

在其他地方，马里兰大学的一个团队最近成功地用电场和激光固定的镱离子制造了一台可编程的5量子比特计算机。IBM机器中的超导量子比特只能与它们最近的邻居交换数据，而马里兰团队的实验中任意一对被困离子可以相互纠缠——这是释放量子计算机全部能力的关键特征。

那么，是什么阻止了这些5量子比特量子计算机的扩大呢?噪声可能是一个比在几个量子比特水平上运行的实验看起来更基本的问题。

卡莱是一小群研究人员中的一员，他们不同意量子霸权永远是可以实现的。从本质上讲，Kalai认为对于高度纠缠态，有效的纠错仍然遥不可及。

Kalai的最新论文发表在AMS的公告上，他指出了量子态的两个基本问题:“我们不能准确地控制它们，也不能准确地描述它们。”

他补充说:“当你试图实现高度纠缠态时，没有量子容错，就‘量子位误差’而言，错误率呈线性上升。”

线性缩放听起来没那么糟糕。不幸的是，随着量子位的增加，足够的量子容错能力至少会呈指数级增长。

卡莱的妙语很简单:“我们不可能设计(自然也不可能)原始计算设备来执行高级计算任务。”

他详细阐述道:“具有少量量子比特的噪声量子系统是非常原始的计算设备，我们将无法设计这样的设备来直接证明量子霸权或实现量子容错。”

悲观主义者的观点引起了激烈的争论，在一场在线讨论中，受尊敬的科学家发表了数百篇博客文章，甚至促使理论计算机科学家斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)提供10万美元的奖金，“奖励一个证明，让我相信，可扩展的量子计算在物理世界中是不可能的”。

Aaronson认为量子霸权的明确证明在几年内即将到来，而Kalai预计所有这些尝试都将在量子霸权被证明之前碰壁。目前，理论和实验还不能明确地判断一种或另一种方式，因此，在大规模量子计算机建成之前，这场争论可能不会得到完全的解决。双方的研究人员一致认为，未来几年计划开发的具有几十个量子比特的量子计算机可能是决定性的。

即使Kalai是错的，它们可以被放大，科学和工程上的巨大飞跃将需要一个有用的大规模通用量子计算机的最终目标——因为要制造实用的密码破译计算机，我们需要并行部署数千个量子比特。

“目前，将更多的量子比特放在一起会使系统更复杂，更容易受到退相干和串扰的影响，”Chow说。“这是所有物理量子比特系统都必须解决的挑战。”

卢卡斯对此表示赞同:“一个巨大的挑战是让系统在使用更多的量子比特时表现良好，因为最终一台量子计算机将需要数十万个‘物理’量子比特，如果它要有足够的工作空间来纠正由于不完美的逻辑操作而导致的错误。”

这是“保真度”的问题，是物理系统质量或“精度”的衡量标准——真实系统与理想系统的接近程度。量子计算机对基本量子逻辑运算的精度要求极高。

卢卡斯解释说:“根据理论，如果精度低于99%左右，量子计算机就无法运行。”“我们已经成功地将所有基本操作的精度提高到99.9%，这在纸面上已经足够好了，但在这个精度下，制造一个功能正常的设备仍然非常困难和昂贵。”

卢卡斯说，事实上，普遍的共识是，要制造出实用的量子计算机，99.99%的精度是必要的。

就像量子世界本身的结果一样，量子计算的未来涉及许多未知因素，没有一个是我们可以预测的。量子霸权和通用量子计算机何时以及能否实现目前尚不确定，但周、卢卡斯、蒙塔纳罗甚至卡莱的工作正在推动量子霸权向有利于量子计算机的方向倾斜。而每“走近一步”都只是如此。通往量子计算的道路一直延伸到远方，可能没有尽头。