據(jù)英國《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站8月31日報道，在美國加尼福利尼亞州某地，谷歌正在建造一臺裝置，這個裝置將很有可能在明年年底建成，并開啟計算機(jī)的全新時代。《參考消息》9月6日援引該報道稱，“這是一臺量子計算機(jī)，是一臺史上最大的量子計算機(jī)，它的建造一勞永逸地證明了這一開發(fā)新奇物理學(xué)疆域的機(jī)器完全可以超越全球最好的超級計算機(jī)。”
那么，在中美爭建量子計算機(jī)的競賽中，谷歌領(lǐng)先了嗎？
為什么量子計算機(jī)能超越傳統(tǒng)計算機(jī)
量子計算是一種基于量子效應(yīng)的新型計算方式。基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計算任務(wù)。
基于量子疊加性原理，一個量子位可以同時處于0狀態(tài)和1狀態(tài)，N個量子位可同時存儲2的N次方個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量隨N呈指數(shù)增長。同時，量子計算機(jī)操作一次等效于電子計算機(jī)要進(jìn)行2的N次方次操作的效果……等于是一次演化相當(dāng)于完成了2的N次方個數(shù)據(jù)的并行處理，這就是量子計算機(jī)相對于經(jīng)典計算機(jī)的優(yōu)勢。
量子計算的優(yōu)勢也十分明顯，特別是在超并行計算能力方面，大幅優(yōu)于經(jīng)典計算機(jī)。例如，求一個300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前最好的經(jīng)典計算機(jī)可能需要上千年的時間來完成，而量子計算機(jī)原則上可以在很短的時間內(nèi)完成。因此，量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢，是新概念高性能計算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢。
谷歌想用50個量子比特實現(xiàn)量子計算機(jī)
谷歌想要建造一個超越傳統(tǒng)意義上的計算機(jī)早已不是什么新聞。
2013年，谷歌就對D-Wave量子計算機(jī)進(jìn)行了測試，希望能夠弄清楚它是怎樣改善搜索功能和人工智能的。
2014年，谷歌招聘了加州大學(xué)知名物理學(xué)家John Martinis，致力于開發(fā)自己的超導(dǎo)量子位。在去年12月，谷歌就曾公布其量子計算機(jī)D-Wave2X，谷歌量子人工智能實驗室還曾宣布，其量子計算機(jī)D-Wave2X的運行速度比傳統(tǒng)計算機(jī)芯片上運行的模擬裝置快1億倍。
近期，根據(jù)外媒的報道，“多名了解谷歌研究進(jìn)展的科學(xué)家表示，在某些計算方面，包含50個量子位的量子芯片已經(jīng)比傳統(tǒng)超級計算機(jī)更強(qiáng)大，而在兩到三年內(nèi)能夠研制出這樣的計算機(jī)已經(jīng)不是什么難事。”《參考消息》也稱，“谷歌想用50個量子比特來完成這個任務(wù)，50個量子比特是一個雄心勃勃的目標(biāo)，但并非遙不可及”。
此前，另一篇關(guān)于谷歌量子計算機(jī)的報道中稱，“全球首款商用的量子計算設(shè)備正是基于AQC技術(shù)……在研究中，谷歌的團(tuán)隊采用了9個固態(tài)量子位。這些量子位由十字形的鋁制薄膜制成，寬度約為400微米。隨后，這些量子位被固定在藍(lán)寶石表面上。研究人員將這些鋁制薄膜的溫度降低至0.02開爾文(約零下273攝氏度)，使金屬成為超導(dǎo)體，電阻完全消失。利用這些超導(dǎo)態(tài)的量子位，研究人員可以向其中編碼信息。”
50個量子比特表述不明確
量子比特可以分為物理比特和邏輯比特。物理比特并不穩(wěn)定，可能現(xiàn)在有10余個物理比特，但很快就喪失了。因此，不得不通過糾錯碼過程對10余個物理比特做冗余，最后生成了一個邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯特性。
量子計算要產(chǎn)生相對于傳統(tǒng)計算足夠多的優(yōu)勢，有效的邏輯比特的數(shù)目必須要大于30的情況下才行，要做出真正的量子計算機(jī)則需要幾百上千物理比特。
雖然外媒聲稱谷歌計劃完成50個量子比特的目標(biāo)，但并未說明是物理比特還是邏輯比特，如果是邏輯比特，就量子位的數(shù)量而言，確實是夠了，但如果是物理比特，50個物理比特距離超越傳統(tǒng)計算機(jī)的量子計算機(jī)依舊有相當(dāng)大的差距。有專家認(rèn)為，國外媒體之所以會采用這樣不明確的說法，一種可能是媒體本身不專業(yè)，但也不排除另一種可能性，那就是谷歌展示控制大量的物理比特的做法是在量子計算技術(shù)領(lǐng)域宣誓其地位，雖然不見得這么快就能做到業(yè)界認(rèn)為能達(dá)到的狀態(tài)，但因為話沒說全，不夠明確，即便有人想嚴(yán)格追究也拿它沒轍。
谷歌曾經(jīng)公布的D-Wave是量子退火機(jī)
量子退火算法則是量子力學(xué)的絕熱演化過程，模擬了量子力學(xué)里的量子隧穿效應(yīng)。通過讓量子效應(yīng)緩慢下降（絕熱演化），找到一個解。
谷歌的D-Wave是量子退火機(jī)，算法和一般意義理解的加減乘除的算法是有區(qū)別的，一般的算法，比如求開方或求互質(zhì)是有標(biāo)準(zhǔn)的程序。而蒙特卡羅算法的一個關(guān)鍵步驟就是要形成一些隨機(jī)數(shù)，由隨機(jī)數(shù)去模擬。谷歌的D-Wave模擬了一個量子模型，經(jīng)過數(shù)值分析模擬出量子的勢場結(jié)構(gòu)；其量子處理器由低溫超導(dǎo)體材料制成，利用了量子微觀客體之間的相互作用。因此，其體系是量子力學(xué)的。而量子力學(xué)在微觀層面上和宏觀層面上是有區(qū)別的，它可以穿透一些勢壘結(jié)構(gòu)——比如有一道高4米，厚0.1米的墻，要翻過去必須有矯健的身手。但量子力學(xué)層面，有一定的概率普通人可以直接穿墻。在經(jīng)典層面上，用傳統(tǒng)計算機(jī)來模擬的話，就必須老老實實的去爬墻，而這就是谷歌宣稱快1億倍的原因所在。
很可能并不是標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)
按照技術(shù)的繼承性和延續(xù)性，如果谷歌的這臺量子計算機(jī)依舊是D-Wave的繼承和延續(xù)的話，如果其量子芯片依舊采用低溫超導(dǎo)量子系統(tǒng)的話，那么這臺量子計算機(jī)就不是一臺標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)，更適合的稱呼是量子退火機(jī)，或針對特定問題的專用計算機(jī)。
因為這種量子計算機(jī)只是針對特定環(huán)節(jié)，做特殊算法的計算機(jī)，所以谷歌可以在特定的環(huán)節(jié)、特定的應(yīng)用中超過傳統(tǒng)計算機(jī)，但并不具有普適性。標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)是具有普適性的計算機(jī)，可以運行各種各樣的算法，類似于經(jīng)典計算機(jī)，電路等效于圖靈機(jī)模型，可以把圖靈機(jī)的各種功能用電路來實現(xiàn)。
計算機(jī)的電路由基本的門來構(gòu)成，而標(biāo)準(zhǔn)的量子計算機(jī)也是有這樣的一個概念，是由一系列基本的邏輯門來實現(xiàn)量子電路，進(jìn)而實現(xiàn)各種算法功能。這種量子計算機(jī)被稱為具有普適性的量子計算機(jī)，而谷歌的量子計算機(jī)就沒有量子計算機(jī)對應(yīng)的門的概念。因此，無法被稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)。
精度很可能無法滿足量子計算的要求
誠然，低溫超導(dǎo)系統(tǒng)也是可以有邏輯門結(jié)構(gòu)的，像今年5月4日就有媒體報道IBM實現(xiàn)了5比特超導(dǎo)量子芯片。但按照以往的資料，谷歌的量子芯片采用低溫超導(dǎo)技術(shù)，其操作精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到量子計算的要求。
相比之下，國內(nèi)由杜江峰院士帶隊的研究組在傳統(tǒng)的糾錯碼下達(dá)到了更高的操作精度，量子邏輯門精度達(dá)到了99.99%，其單比特門精度已經(jīng)滿足容錯計算的需求；中國科技大學(xué)量子實驗室研發(fā)的氮化鎵半導(dǎo)體量子芯片也達(dá)到了90%的精度，在糾錯碼的輔助下，同樣能滿足容錯計算的精度。因此，在精度無法滿足標(biāo)準(zhǔn)量子計算要求的情況下，谷歌只能去玩量子退火或者開發(fā)針對特定問題的專用計算機(jī)，而非真正的標(biāo)準(zhǔn)量子計算。
中科大半導(dǎo)體量子芯片
由于目前還沒有任何報道谷歌的量子芯片采用了新的系統(tǒng)，筆者只能認(rèn)為谷歌依舊采用低溫超導(dǎo)量子點系統(tǒng)，那么，其操作精度很有可能是無法滿足量子計算要求的。
谷歌宣傳的黑科技中不乏失敗的項目
一直以來，谷歌以其頻頻亮相于媒體的黑科技賺足了眼球，例如媒體報道谷歌推進(jìn)全球免費無線網(wǎng)絡(luò)（Wifi）覆蓋計劃、旨在用太陽能無人機(jī)做WIFI熱點提供服務(wù)的Skybender項目等。雖然在宣傳上，這些項目噱頭十足，甚至有國內(nèi)媒體驚呼，“墻要倒了”、“三大運營商要完”，但從現(xiàn)實情況來看，谷歌的一些科技項目大多無疾而終。
全球免費無線網(wǎng)絡(luò)（Wifi）覆蓋計劃
以全球免費無線網(wǎng)絡(luò)（Wifi）覆蓋計劃來說，在2014年《華爾街日報》報道，谷歌計劃花費超過10億美元來部署數(shù)百個近地軌道衛(wèi)星，為全球偏遠(yuǎn)地區(qū)的居民提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。不過至今項目進(jìn)度也異常緩慢，其項目負(fù)責(zé)人雷格·維勒更是在上任數(shù)月后就離職，不排除該計劃已經(jīng)處于僵尸狀態(tài)。
無獨有偶，Skybender項目也是如此。在2014年，谷歌收購了當(dāng)時還只有20名員工的泰坦航空航天公司致力于開發(fā)無人機(jī)，谷歌宣稱除使用衛(wèi)星外，還會采用無人機(jī)提供WIFI熱點，泰坦航空航天公司在當(dāng)年宣稱能在2015年首次付諸商業(yè)運作。但在實踐中，谷歌和泰坦航空航天公司也遭遇了滑鐵盧——2015年5月，Solara 50在升空后不久便在新墨西哥州測試基地墜毀；泰坦航空航天公司創(chuàng)始人馬克西姆·雅尼在2015年5月，以抵押欺詐罪入獄則更是雪上加霜。
谷歌開發(fā)所謂“黑科技”的目的
誠然，谷歌的科技項目并非全都如此，成功的也有不少，比如安卓操作系統(tǒng)，但確實有很多曾經(jīng)宣傳的出神入化的項目最后無疾而終。那為何谷歌依舊要這般高調(diào)的開發(fā)各種黑科技項目呢？這其中主要有以下幾個因素：
一是能夠給公司打扮高科技光環(huán)，以提升股價。正如阿爾法狗決戰(zhàn)李世石，在1月28日曝出了谷歌人工智能圍棋擊敗歐洲冠軍，以及谷歌拿出100萬美元作為獎金挑戰(zhàn)李世石的消息后，當(dāng)日谷歌股價漲幅4.42%，換算成市值漲了200億美元；在3月9日第一局打敗李世石后，谷歌股價從710美元漲到了750美元……
二是一旦項目成功，其回報非常驚人。正如安卓操作系統(tǒng)的成功，給谷歌帶來了非常豐厚的回報——根據(jù)甲骨文公司代理律師在法庭上披露，谷歌安卓操作系統(tǒng)已經(jīng)創(chuàng)造了310億美元營收，220億美元利潤，利潤率達(dá)70%。正是這種科技項目如此高的收益，使得谷歌愿意頻頻投資一些高風(fēng)險、高回報的項目。
回到量子計算機(jī)這個話題上，對于一個只能執(zhí)行特定算法，解決特定問題的量子計算機(jī)，谷歌為何如此熱衷呢？筆者猜測，很有可能是因為量子退火機(jī)，或針對特定問題的專用量子計算機(jī)運行的這些特定的算法和谷歌最關(guān)心的領(lǐng)域有關(guān)，比如用于搜索。另外，麻省理工學(xué)院林肯實驗室的高級職員William Oliver認(rèn)為，這些特定算法可能非常有利于模式識別和機(jī)器學(xué)習(xí)。
結(jié)語
要構(gòu)建量子計算機(jī)有兩個要求，一個是量子邏輯門精度足夠高，另一個是邏輯比特數(shù)量足夠多。按照媒體報道的現(xiàn)有資料，谷歌的低溫超導(dǎo)量子系統(tǒng)在精度上很可能無法滿足量子計算的要求，而且50個量子比特的描述很難讓人確定這到底是物理比特，還是邏輯比特。而媒體報道中的AQC技術(shù)是絕熱量子計算，基于AQC技術(shù)的設(shè)備現(xiàn)在大多都在做專用量子計算。
因此，筆者猜測，谷歌這臺所謂開啟計算機(jī)的全新時代的量子計算機(jī)很可能并非標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)，要么是一臺量子退火機(jī)，是D-Wave量子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和延續(xù)，要么是一臺針對特定問題的專用計算機(jī)。
不過，即便谷歌建成的并非標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)，從技術(shù)進(jìn)步角度看，也是一個值得稱道的飛躍。