儘管「量子電腦」一詞可能意味著一種微型、時尚的設備，但最新的產品與蘋果商店中出售的任何產品都相差甚遠。 在紐約市以北 60 公里處的一個實驗室裡，科學家們正在測試一台剛起步的量子計算機，整個套件看起來就像是在地下室的黑暗角落裡可以找到的東西。 電腦周圍的冷卻系統的大小和形狀與家用熱水器差不多。
在笨重的外表下是電腦的核心，即量子處理器，這是一個每邊約一公分的微小、精密設計的晶片。 這台電腦由 IBM 製造，位於紐約州約克敦高地的 Thomas J. Watson 研究中心，溫度被冷卻到略高於絕對零度，由 16 個量子位元組成，或量子位元，足以進行簡單的計算。
不過，如果這台計算機可以擴大規模，它就可以超越目前的計算極限。 基於超小物理學的電腦可以解決其他電腦無法解決的難題——至少在理論上是這樣——因為量子實體的行為與更大領域中的任何事物都不同。
量子電腦還沒有讓標準電腦相形見絀。 最先進的電腦使用的量子位元不到兩打。 但來自工業界和學術界的團隊正在致力於將他們自己的量子電腦版本擴展到 50 或 100 個量子位，足以執行最強大的超級電腦無法完成的某些計算。
這場競賽即將達到這個被稱為「量子霸權」的里程碑。 芝加哥大學的量子物理學家大衛舒斯特說，科學家應該在幾年內實現這一目標。 “我認為它沒有理由行不通。”
深度凍結
冷卻系統（Google展示的）為位於該裝置底部的超導量子處理器保持寒冷的溫度。 此系統封裝在一個熱水器大小的容器中。
但至高無上只是第一步，是一個象徵性的標記，類似於將旗桿插在未開發的土地上。 量子電腦盛行的第一個任務將是人為設計的問題，這些問題對於標準電腦來說很困難，但對於量子電腦來說很容易。 最終，人們希望電腦將成為科學家和企業的珍貴工具。
引人注目的想法
量子電腦可能首先解決的一些有用問題是模擬小分子或化學反應。 從那裡，電腦可以繼續加速新藥的搜尋或啟動節能催化劑的開發以加速化學反應。 為了找到適合特定工作的最佳材料，量子電腦可以搜尋數百萬種可能性，以找出理想的選擇，例如用於飛機機翼的超強聚合物。 廣告商可以使用量子演算法來改進他們的產品推薦——在你即將購買新手機時投放新手機的廣告。
量子電腦也可以促進機器學習，實現近乎完美的手寫識別，或幫助自動駕駛汽車評估從感測器湧入的大量數據，以避免跑到街上的孩子。 科學家可能會使用量子電腦來探索奇異的物理領域，例如模擬黑洞深處可能發生的情況。
但量子電腦在十多年內都無法發揮其真正潛力，這需要利用數百萬量子位元的力量。 量子電腦的長期未來到底存在哪些可能性仍懸而未決。
這種前景類似於 20 世紀中葉標準電腦（量子科學家稱之為「經典」電腦）發展的不完整願景。 當他們開始擺弄電子計算機時，科學家無法理解所有最終的應用。 他們只知道機器擁有強大的力量。 從最初的承諾開始，經典電腦已成為科學和商業中不可或缺的一部分，主導著日常生活，手持智慧型手機也成為忠實的伴侶（SN：2017 年 4 月 1 日，第 17 頁 18）。
我們對真正徹底改變我們的計算能力的潛力感到非常興奮。
— 克里斯塔·斯沃爾
自 20 世紀 80 年代量子電腦的想法首次引起人們的興趣以來，進展斷斷續續。 由於沒有能力創建真正的量子計算機，這項工作仍然停留在理論上，並且尚不清楚量子計算何時或是否可以實現。 現在，隨著小型量子電腦的出現，以及新的發展迅速到來，科學家和企業正在為一項似乎終於觸手可及的新技術做準備。
微軟的 Krysta Svore 於 3 月 13 日在新奧爾良表示：“各公司確實在關注。”座無虛席的會議在美國物理學會的會議上。 熱情的物理學家擠滿了房間，擠在門口，竭盡所能聽她說話。 斯沃爾和她的團隊正在探索這些新興的量子電腦最終可能具備的能力。 “我們對真正徹底改變我們的計算能力的潛力感到非常興奮。”
量子位的解剖
量子運算的前景植根於量子力學，這是一種控制原子、電子和分子等微小實體的反直覺物理學。 量子電腦的基本元素是量子位元（發音為“CUE-bit”）。 與可以取 0 或 1 值的標準電腦位元不同，量子位元可以是 0、1 或兩者的組合——一種介於 0 和 1 之間的煉獄，稱為量子疊加。 當一個量子位元被測量時，有一些機會得到 0，也有一些機會得到 1。
由於量子位元可以同時表示 0 和 1，因此它們可以編碼大量資訊。 在計算中，兩種可能性（0 和 1）同時運行，允許進行某種並行計算，從而加快求解速度。
另一個量子位元怪癖：它們的屬性可以透過量子糾纏現象交織在一起（SN：2017 年 4 月 29 日，第 14 頁 8）。 對糾纏對中的一個量子位元的測量會立即揭示其夥伴的價值，即使它們相距很遠——阿爾伯特·愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。
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門禁社區
在量子計算中，程式設計師執行一系列稱為閘的操作來翻轉量子位元（由黑色水平線表示），將它們糾纏起來以連結它們的屬性，或將它們置於疊加狀態，同時代表 0 和 1。 首先，一些門定義：
科學家可以將上述閘組合成複雜的序列，以執行經典計算機無法完成的計算。 一種稱為格羅弗搜尋的量子演算法可以加快搜尋速度，例如掃描指紋資料庫以查找匹配項。 要了解其工作原理，請考慮一個簡單的遊戲節目。
在這個遊戲節目中，四扇門隱藏著一輛汽車和三隻山羊。 參賽者必須隨機打開一扇門才能找到汽車。 格羅佛的搜尋會同時考慮所有可能性並放大所需的可能性，因此參賽者更有可能找到汽車。 這兩個量子位元代表四扇門，以二進位標記為 00、01、10 和 11。
步驟1：將兩個量子位元疊加。 所有四扇門的機率相等。
第2步：將汽車隱藏在門後 11。
步驟3：在測量量子位元時，增大獲得正確答案 11 的機率。
步驟4：測量兩個量子位元； 結果是 11。
資料來源：IBM 研究部； 製圖：T.Tibbitts
這種奇怪的量子特性可以實現超高效的計算。 但這種方法並不能加快解決所有問題的速度。 量子計算器特別適合某些類型的謎題，可以透過稱為量子乾涉的過程來選擇正確答案。 透過量子乾涉，正確的答案被放大，而其他答案被抵消，就像湖中的一組漣漪相互相遇，導致一些峰值變得更大，而另一些峰值消失。
量子電腦最著名的潛在用途之一是將大整數分解為其質因數。 對於傳統電腦來說，這項任務非常困難，以至於信用卡資料和其他敏感資訊都透過基於因式分解的加密來保護。 最終，足夠大的量子電腦可以破解這種類型的加密，分解傳統電腦需要數百萬年才能破解的數字。
量子電腦還有望加快搜尋速度，使用量子位元更有效地在資料大海撈針中找出資訊針。
量子位元可以使用多種材料製成，包括離子、矽或超導體，它們可以無電阻地導電。 不幸的是，這些技術都無法讓電腦輕鬆安裝在桌面上。 儘管電腦晶片本身很小，但它們依賴大型冷卻系統、真空室或其他笨重的設備來維持量子位元微妙的量子特性。 在可預見的未來，量子電腦可能會被限制在專門的實驗室中，透過網路遠端存取。
走向至高無上
連接網路的量子電腦的願景已經開始，量子計算令人興奮。 它即將到來，我們希望更多的人精通它。 2016 年，IBM 推出了 Quantum Experience，這是一款全球任何人都可以免費線上存取的量子電腦。
量子計算令人興奮。 它即將到來，我們希望更多的人精通它。
— 週傑瑞
IBM 實驗量子運算小組的管理人員 Jerry Chow 表示，由於只有 5 個量子位，量子體驗「你能做的事情很有限」。 （IBM 的 16 量子位元電腦正處於 Beta 測試階段，因此 Quantum Experience 用戶才剛開始上手。）儘管存在局限性，但 Quantum Experience 已讓科學家、電腦程式設計師和公眾熟悉了量子電腦程式設計 —它們遵循與標準計算機不同的規則，因此需要新的思考問題的方式。 “量子計算令人興奮。 它即將到來，我們希望更多的人精通它，」Chow 說。 “這會讓發展和進步更快。”
但為了全面啟動量子運算，科學家需要證明他們的機器能夠超越最好的標準電腦。 雪梨麥考瑞大學的量子物理學家西蒙·德維特 (Simon Devitt) 表示：“這一步對於讓社區相信你正在建造一台真正的量子計算機非常重要。” Devitt 預測，這種量子霸權的展示可能會在今年年底或 2018 年出現。
谷歌的研究人員制定了一項策略展示量子霸權，2016 年發佈在 arXiv.org 上。 他們提出了一種演算法，如果在足夠大的量子電腦上運行，將產生世界上最強大的超級電腦無法複製的結果。
該方法涉及對量子位元執行隨機操作，並測量吐出的答案的分佈。 在經典超級電腦上獲得相同的分佈需要模擬量子電腦的複雜內部工作原理。 模擬具有超過 45 個量子位元的量子電腦變得難以管理。 超級電腦還無法達到這些量子領域。
為了進入這個腹地，擁有 9 個量子位元電腦的谷歌制定了積極的計劃，將其擴展到 49 個量子位元。 「我們非常樂觀，」Google的約翰·馬蒂尼斯（John Martinis）說，他也是加州大學聖塔芭芭拉分校的物理學家。
馬蒂尼斯和同事計劃分階段進行，解決沿途出現的問題。 「你建造了一些東西，然後如果它不能很好地工作，那麼你就不會做下一個——你要解決正在發生的事情，」他說。 研究人員目前正在開發 15 和 22 量子位元的量子電腦。
與Google一樣，IBM 也計劃擴大規模。 今年 3 月，該公司宣布將在未來幾年內建造一台 50 量子位元計算機，並將其提供給渴望成為這項新興技術首批採用者的企業。 僅僅兩個月後，在 5 月，IBM 宣布其科學家已經創建了 16 量子位元量子電腦以及 17 量子位元原型，這將成為該公司未來商用電腦系列的技術起點。
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但量子電腦不僅僅是其量子位元的總和。 「擴大規模的真正關鍵方面之一不僅僅是…量子位元數，而是真正提高設備性能，」Chow 說。 因此，IBM 研究人員正在關註一個他們稱為「量子體積」的標準，該標準考慮了多個因素。 其中包括量子位元的數量、每個量子位元如何與其鄰居連接、錯誤進入計算的速度以及一次可以執行多少個操作。 「這些都是真正賦予量子處理器力量的因素，」Chow 說。
錯誤是提高量子體積的主要障礙。 憑藉其微妙的量子特性，量子位元可能會在每次操作中累積故障。 量子位元必須抵抗這些錯誤，否則計算很快就會變得不可靠。 最終，具有許多量子位元的量子電腦將能夠透過稱為糾錯的過程來修復突然出現的錯誤。 儘管如此，為了提高量子電腦可以進行的計算的複雜性，量子位的可靠性需要不斷提高。
形成量子位元的不同技術有不同的優點和缺點，這會影響量子體積。 IBM 和谷歌與許多學術科學家一樣，用超導材料建構量子位元。 在冷卻到極低溫的超導體中，電子可以暢通無阻地流動。 為了製造超導量子位，科學家形成了電路，電流在由鋁或其他超導材料製成的線環內流動。
幾個學術研究小組利用單一離子創建量子位，將其固定在適當的位置並用雷射探測。 英特爾和其他公司正在研究由稱為量子點的微小矽片製成的量子位元（SN：2015 年 7 月 11 日，第 14 頁 22 號）。 微軟正在研究所謂的拓樸量子位，這種量子位元對運算中出現的錯誤具有超強的抵抗力。 甚至可以利用晶體中隔離單一電子的缺陷，用鑽石鍛造量子位元。 同時，光子量子計算機使用光粒子進行計算。 中國領導的團隊在 5 月 1 日發表的一篇論文中展示了自然光子學那一個基於光的量子計算機可能勝過最早的電子計算機是關於一個特定的問題。
D-Wave 一家公司聲稱擁有一台可以執行嚴格計算的量子計算機，儘管使用的策略比其他量子計算機更有限（SN：2014 年 7 月 26 日，第 14 頁 6）。 但許多科學家對這種方法持懷疑態度。 「目前普遍的共識是，量子現象正在發生，但仍不清楚它是什麼，」德維特說。
相同的離子
雖然超導量子位元最受 IBM 和谷歌等巨頭的關注，但採取不同方法的弱勢企業最終可能會超越這些公司。 克里斯·門羅（Chris Monroe）是一位潛在的新貴，他製造了基於離子的量子電腦。
在他位於學院公園的馬裡蘭大學校園辦公室附近的人行道上，柵欄上裝飾著一幅橫幅，上面有一幅比真人還大的夢露肖像。 傳達的訊息是：門羅的量子電腦是一個「無所畏懼的想法」。 該橫幅是由該大學幾位研究人員參與的廣告活動的一部分，但門羅似乎是一個合適的選擇，因為他的研究與超導量子位的研究趨勢背道而馳。
門羅和他的一小群研究人員將離子排列成整齊的線，並用雷射操縱它們。 在發表於自然2016年，門羅和同事推出了由鐿離子製成的五量子位元量子計算機，使科學家能夠進行各種量子計算。 他說，一台 32 離子計算機正在研發中。
門羅的實驗室——他在校園裡有六個實驗室——與通常與電腦相關的任何東西都不一樣。 桌上擺放著一堆難以辨認的透鏡和鏡子，周圍是一個裝有離子的真空室。 與 IBM 的電腦一樣，儘管整個組件體積龐大，但量子部分卻很小：離子鏈的跨度僅為百分之一毫米。
戴著雷射護目鏡的科學家負責整個設置。 門羅說，這些設備的外國性質解釋了為什麼用於量子計算的離子技術尚未起飛。 因此，他和同事們自己解決問題，創建了一家名為 IonQ 的新創公司，該公司計劃改進離子計算機，使其更易於使用。
門羅指出了他的技術的一些優點。 特別是，同一類型的離子是相同的。 在其他系統中，量子位元之間的微小差異可能會擾亂量子電腦的運作。 門羅表示，隨著量子電腦規模的擴大，這些微小的差異將會付出巨大的代價。 “擁有數百萬個相同的量子位元將非常重要。”
在 3 月發表的一篇論文中美國國家科學院院刊、門羅和同事將他們的量子電腦與 IBM 的量子體驗進行了比較。 離子電腦的運作速度比 IBM 的超導電腦慢，但它受益於更互連——每個離子可以與任何其他離子糾纏，而 IBM 的量子位元只能與相鄰的量子位元糾纏。 這種互連性意味著可以用更少的步驟執行計算，有助於彌補較慢的運算速度，並最大限度地減少出錯的機會。
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對比多少 多少
兩種不同的量子電腦——一種使用離子量子位元，另一種使用超導量子位元——在最近的一次比較中進行了正面交鋒。 兩台五量子位元電腦的效能相似，但各有其優點：超導電腦速度更快； 離子計算機的互連性更強，執行計算所需的步驟更少。
來源：NM Linke 等人/美國國家科學院院刊2017年
早期應用
像門羅這樣的電腦還遠遠沒有釋放出量子計算的全部力量。 為了執行日益複雜的任務，科學家必須糾正計算中出現的錯誤，透過在許多量子位元之間傳播訊息來即時解決問題。 不幸的是，這種糾錯會使所需的量子位元數量增加 10 倍、100 倍甚至數千倍，這取決於量子位元的品質。 完全糾錯的量子電腦將需要數百萬個量子位元。 那還有很長的路要走。
因此，科學家們正在勾勒出一些簡單的問題，量子電腦可以在不進行糾錯的情況下深入研究這些問題。 最重要的早期應用之一是透過使用量子電腦模擬化學系統的量子力學來研究小分子或簡單反應的化學。 2016年，Google、哈佛大學等機構的科學家對氫分子進行了這樣的量子模擬。 氫已經用經典電腦進行了模擬，得到了類似的結果，但隨著量子電腦規模的擴大，更複雜的分子可能會出現。
一旦糾錯量子電腦出現，許多量子物理學家就會特別關心一個化學問題：製造肥料。 儘管對於量子物理學家來說這似乎是一項不太可能的任務，但該任務說明了量子電腦改變遊戲規則的潛力。
用於製造富氮肥料的哈伯-博世製程是能源密集型，需要高溫和高壓。 這個過程對現代農業至關重要，消耗了世界能源供應的 1% 左右。 可能有更好的方法。 借助固氮酶，固氮細菌可以輕鬆地從空氣中提取氮。 微軟的斯沃爾說，量子電腦可以幫助模擬這種酵素並揭示其特性，或許可以讓科學家「設計一種催化劑來改善固氮反應，提高其效率，並節省世界能源」。 「這就是我們想要在量子電腦上做的事情。 對於這個問題，我們似乎需要糾錯。
精確定位不需要糾錯的應用程式很困難，而且可能性也沒有完全列出。 “這並不是因為它們不存在；而是因為它們不存在。” 我認為這是因為物理學家不是尋找它們的合適人選，」麥格理的德維特說。 人們認為，一旦硬體可用，電腦科學家就會想出新的想法。
這就是為什麼像 IBM 這樣的公司正在透過網路向用戶推送他們的量子電腦。 「很多這樣的公司都意識到他們需要人們開始嘗試這些東西，」德維特說。
量子科學家正帶領電腦程式設計師踏入一個新的、未知的計算領域。 這些新興系統的功能可能會重塑社會使用電腦的方式。
最終，量子電腦可能成為我們技術社會結構的一部分。 例如，量子電腦可以整合到量子互聯網中，這將比現在的網路更安全（SN：2016 年 10 月 15 日，第 10 頁 13）。
麻省理工學院的物理學家 Seth Lloyd 表示：「量子電腦和量子通訊有效地讓你能夠以更私密的方式做事。」他設想連搜尋引擎都無法監視的網路搜尋。
量子電腦可能還有更多還沒有人想到的用途。
「我們不確定這些的具體用途。 這有點奇怪，」門羅說。 但是，他堅持認為，計算機會找到自己的定位。 “建造它，他們就會來。”
這個故事出現在 2017 年 7 月 8 日的《科學新聞標題是“量子計算機變得真實：隨著第一台基於量子位元的機器上線，科學家們才剛開始想像其可能性。”
