“我從出生起就一直在做好鬥的事情，”吉奧迪·羅斯說道，他向後靠在加拿大伯納比自己狹小、沒有窗戶的辦公室的椅子上，描述了他如何一生都在為難自己。在他 20 歲出頭之前，這意味著痴迷於摔跤——他聲稱這項運動付出最多的努力卻得到最少的回報。羅斯說，最近，現在 41 歲的他，“D-Wave 就像是一個縮影：難以忍受的痛苦和極少的認可”。
對於 D-Wave 來說，缺乏認可的問題正在迅速消失，D-Wave 是世界上第一家也是迄今為止唯一一家制造量子計算機的公司。在最初的研究界的不信任和嘲笑之後，羅斯和他的公司現在正被更認真地對待——尤其是航空航天巨頭洛克希德·馬丁公司，該公司在 2011 年購買了 D-Wave 的一臺計算機，價格約為 1000 萬美元，以及網際網路巨頭谷歌，該公司在 5 月份也收購了一臺。
但痛苦是真實的——批評者會說，其中大部分是羅斯自己造成的。2007 年，他的公司在加利福尼亞州山景城的計算機歷史博物館舉行了一場炫耀的公開演示，宣佈了他們的第一臺工作計算機。按照目前量子計算的標準——理論上可以大幅提升計算能力——該裝置的效能令人震驚。這是一個原型機，正在資料庫中搜索與給定藥物相似的分子，並解決數獨謎題，而使用標準量子方法構建的最好機器最多隻能將數字 21 分解為它的因子。
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懷疑論者對介紹中“新聞釋出會式科學”的語氣感到不滿，並懷疑 D-Wave 裝置是否只是偽裝成量子計算機的經典計算機。“這家來自加拿大的公司突然冒出來，宣佈他們擁有量子晶片，”科林·威廉姆斯說，他在 1999 年出版了第一本關於量子計算的教科書，並於去年加入 D-Wave 擔任業務發展總監。“學術界認為他們一定是瘋了。”
今天，隨著更多關於 D-Wave 技術的細節的釋出，這些批評在某種程度上已經平息。但它們已被更微妙的問題所取代：即使 D-Wave 計算機正在利用量子能力，它真的比傳統計算機更快或更好嗎？它最終會破解目前計算機需要數十年甚至更長時間才能解決的問題嗎？或者它的能力會遇到瓶頸嗎？
通用願景
當羅斯在 1999 年創立 D-Wave 時，他擁有工程學位，在溫哥華不列顛哥倫比亞大學攻讀理論物理學博士學位幾年——並且不知道如何製造量子計算機。他確實從他在加拿大最著名的技術風險投資家之一海格·法里斯的創業課上獲得了靈感。羅斯說，商業“對我來說比物理或數學更難。沒有讓人們做你想做的事情的處方。”
威廉姆斯當時的新教科書幫助羅斯相信量子計算將成為新企業的合適目標。法里斯開出的一張 4,059.50 加元（3,991 美元）的支票讓他買了一臺筆記型電腦和印表機來製作商業計劃書。到 2000 年代初期，D-Wave 吸引了數百萬美元的資金，羅斯將其投資於 15 個不同的研究小組，以尋找要追求的最佳技術。“我像一個傳道者一樣，宣傳量子計算機的願景，”他說。
該願景的核心是量子計算承諾透過大幅減少尋找答案所需的時間來解決其他棘手的問題。典型的例子是因式分解：就像將 21 分解為 3 × 7 一樣，但數字是數百位長。這是廣泛用於保護數字資料的加密演算法的基礎。加密安全性的基礎是傳統計算機必須依次檢視每個可能的因子——隨著數字變大，這個過程呈指數級增長。
瓶頸的出現是因為傳統計算機以非此即彼的方式儲存和處理資訊，使用“位元”，每個位元只能存在於兩種狀態之一，表示為 1 或 0。在大多數現代計算機晶片中，每個位元都由電荷的存在或不存在來表示。相比之下，量子計算機透過使用“量子位元”來利用量子力學的模糊世界，量子位元可以同時存在於 1 和 0 兩種狀態。原則上，它們可以同時探索不同的解決方案——將多年的計算縮短到幾秒鐘。
當羅斯開始尋找合適的構建量子計算機的技術時，研究人員已經開始使用許多物理系統制造量子位元，包括以偏振方向編碼零和一的光子，以及以電子態編碼它們的離子。他們還在研究如何組合和操縱這些量子位元攜帶的量子資訊，這與電晶體邏輯閘操縱傳統計算機中位元的流動方式非常相似。目標是生產“通用”量子計算機，它可以執行任何可以想象到的計算，就像現代經典機器一樣。
但是，這種模型帶來了一些巨大的工程挑戰——首先是量子位元極易受到外界干擾。它們就像岌岌可危地平衡在其尖端的鉛筆：最輕微的擾動都可能使它們失去平衡，從而導致計算錯誤。如果每個量子位元的準確率為 99%，則涉及 10 個量子位元的操作只會產生 90% 的正確答案，而涉及 100 個量子位元的操作只會產生大約 36% 的正確答案。然而，實際應用可能需要數千甚至數百萬個量子位元。
為了彌補這一點，開發人員不遺餘力地遮蔽量子位元免受噪聲干擾，並設計出巧妙的糾錯方案。但桑迪亞國家實驗室（位於新墨西哥州阿爾伯克基）從事量子計算的安德魯·蘭達爾說，無論過去還是現在，“如果你看看你需要的冗餘和保真度，那是非常苛刻的”。就像火箭需要大量燃料才能舉起少量有效載荷一樣，門模型量子計算機可能需要數十億個糾錯量子位元才能獲得 1,000 個功能量子位元來做一些有用的事情。
到 2003 年，羅斯確信這種模型“只是一個非常非常糟糕的想法”，他說。因此，他將注意力轉向了當時的研究荒地：絕熱量子計算。這種技術最適合最佳化問題——在這種問題中，必須同時找到許多標準的最佳可能結果。例如，嘗試安排婚禮的座位，其中一些客人是最好的朋友，另一些客人是死敵；或者找到蛋白質摺疊的最具能量穩定性的方式，其中各種氨基酸相互吸引或排斥。
所有可能的解決方案都可以想象成一個山脈，其中較高的海拔高度對應於違反大多數標準的配置——敵人坐在敵人旁邊，可以這麼說——而最低點對應於滿足大多數或所有標準的解決方案。訣竅是找到那些低點。傳統的絕熱計算機可以透過相當於在山隘上氣喘吁吁地行走來做到這一點，系統地尋找凹陷處。但是量子絕熱計算機進行快速的全域性搜尋。它從類似於將水傾倒在平坦的景觀上的模擬開始——量子位元處於零和一的完美量子疊加態——然後讓山脈緩慢上升，以便水自然地匯聚在最佳解決方案中。
這種計算機的關鍵在於它的量子位元始終處於其最低能量狀態——岌岌可危的平衡鉛筆已經掉落。這使其具有巨大的優勢，即相對不受外界干擾，因此在計算機擁有數千個或更多量子位元之前，幾乎不需要或不需要糾錯。雖然它對於分解大數（這是最初推動量子計算機研究的東西）不是很有用，但它的方法可能潛在地用於從語言翻譯和語音識別到制定航天器飛行計劃等應用。
2003 年，關於如何製造或程式設計絕熱量子計算機知之甚少，也沒有人投入資金和時間來構建原型。羅斯決定 D-Wave 應該嘗試一下。
D-Wave 的工程師使用由鈮超導環製成的量子位元，冷卻到絕對零度以上 20 毫開爾文以使其保持在最低能量狀態，甚至在他們確定其工作原理之前就建立了一臺可用的計算機。“從一開始，遊戲的名稱就是製造一臺功能正常的計算機，”威廉姆斯說。“然後他們可以探測它，看看它在哪裡執行正常。”
從那時起，D-Wave 迅速發展壯大。該公司 2007 年的演示使用了 16 量子位元的裝置。到 2011 年，洛克希德·馬丁公司購買的 D-Wave One 機器擁有 128 個量子位元（參見自然474, 18; 2011）。今年的 D-Wave Two 是谷歌和包括 NASA 在內的合作者購買的型號，擁有 512 個（參見自然http://doi.org/mt2; 2013）。他們的計算機看起來像傳說中的黑匣子：它是一個閃亮的黑色立方體，大約有一個桑拿房那麼大。大部分空間被低溫冷卻系統佔據；量子晶片本身只有指甲蓋大小。D-Wave 的目標是每年將晶片上的量子位元數量翻一番。
充滿敵意的觀眾
從一開始，D-Wave 就引起了很多負面情緒。“我認為說他們最初受到學術界的嘲笑並不過分，”英國布里斯托大學的物理學家傑里米·奧布萊恩說，他發明了可以分解 21 的計算機。
問題不在於絕熱計算方法——它有可靠的學術歷史，儘管很稀疏——而在於公司大膽的風格。大多數量子計算專家認為，羅斯和他的同事應該從冷靜地發表論文來描述他們的量子位元開始，而不是釋出新聞稿。麻省理工學院（位於劍橋）的計算機科學家斯科特·阿倫森是一位長期的 D-Wave 懷疑論者，他對該公司實際展示其可以做的事情仍然印象不深。“他們是營銷型別的人，他們試圖做出儘可能引人注目的宣告，”他怒氣衝衝地說。
羅斯既不否認也不為這種大膽道歉。他經常被引述說，實際上，他的方法是如何建立一家公司的。羅斯還堅稱，他對公司 2007 年的新聞釋出會活動沒有任何遺憾——特別是考慮到它引起了谷歌的注意，谷歌在那之後不久就開始與 D-Wave 進行非正式合作。“我們做生意不是為了受歡迎，”他說。
撇開商業風格不談，D-Wave 計算機與現有的任何東西都截然不同，甚至專家也不知道如何準確地判斷它。“你做這些演示，你怎麼知道它是否比分解 15 更重要？”加州大學聖巴巴拉分校的物理學家約翰·馬蒂尼斯說，他領導著致力於門模型量子計算機的領先團隊之一。
隨著計算機的執行方式變得越來越清晰，一些懷疑正在減輕。2011 年，D-Wave 釋出了證據，證明其 8 量子位元晶片中存在量子行為。在該公司之外，在這個問題上花費最多時間的小組是南加州大學量子計算中心，該中心是在洛克希德·馬丁公司購買其 D-Wave 計算機時與該公司合作成立的。今年 4 月，一個團隊（包括該中心的科學主任丹尼爾·利達爾）釋出了結果，似乎證實了 128 量子位元的 D-Wave One 在量子層面工作——儘管在模糊的量子世界中，沒有什麼事情是確定的，並且這些結果受到了質疑。
儘管如此，D-Wave 已經逐漸解決了其信譽問題，奧布萊恩總結道，“現在他們越來越受到重視”。
實際考慮
無論 D-Wave 計算機如何工作，實際問題是它是否可以用於解決現實世界的問題。它可以——在某種程度上。例如，在 2009 年，谷歌研究團隊開發了一種 D-Wave 演算法，可以學習判斷照片是否顯示汽車——這是一個“二元影像分類器”的示例，原則上可以用於判斷醫學影像是否顯示腫瘤，或安全掃描是否顯示炸彈。找到更好的方法來完成這類任務是人工智慧的核心，也是絕熱量子計算機有望擅長的領域之一。
2012 年，馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的研究人員使用 D-Wave 機器找到了具有六個氨基酸的蛋白質的最低能量摺疊構型。他們沒有足夠的量子位元來正確編碼這個問題，但即便如此，在一個其他量子計算機都無法觸及的問題上，D-Wave 機器在 10,000 次執行中找到了 13 次最佳解決方案。許多其他答案也是很好的解決方案，即使不是最好的。
與此同時，洛克希德·馬丁公司的研究人員開發了一種演算法，該演算法允許 D-Wave 機器判斷一段軟體程式碼是否沒有錯誤——他們指出，這對於經典計算機來說是不可能的。“你永遠不會知道”一段經典計算機程式碼是否乾淨，洛克希德·馬丁公司位於馬里蘭州貝塞斯達的首席技術官雷·約翰遜說。任何人能說的只是，經過多年的測試，沒有發現任何錯誤。“但現在你可以肯定地說，”約翰遜說。“我們對計算機擴充套件到解決現實世界複雜問題的能力抱有很大的希望和信心。”
D-Wave 在速度方面也與傳統計算機競爭激烈，儘管直接比較很困難。今年早些時候，D-Wave 請馬薩諸塞州阿默斯特學院的計算機科學家凱瑟琳·麥吉奧克對 D-Wave Two 進行測試，以滿足谷歌的要求，然後這家網際網路巨頭才確認了這筆交易。麥吉奧克發現，在 D-Wave 旨在解決的最佳化型別問題中，它在半秒內得出了正確的答案，而頂級 IBM 機器則需要 30 分鐘。“這是量子計算領域最令人興奮的事情之一，”奧布萊恩說。
然而，這種優勢能持續多久還遠不清楚，這僅僅是因為沒有好的理論來描述量子絕熱計算機在更大規模上的行為。“我們絕對確定我們可以構建這種裝置的下一代，但我們絕對不知道它會工作得有多好，”羅斯笑著說。自從麥吉奧克在 5 月份的會議上展示了她的結果以來，其他計算機科學家一直在嘗試為經典計算機編寫更快的程式碼。阿倫森說，速度不應被視為裝置工作原理的證明。“即使這臺機器確實比普通筆記型電腦更快地獲得解決方案，”他說，“那麼你仍然面臨一個問題，那就是這是否是量子效應的結果，還是因為一個團隊花費了 1 億美元設計了一臺針對這些型別問題進行最佳化的特殊機器。”
與此同時，工作仍在繼續，以使通用門模型量子計算機的量子位元更加可靠，或更易於大規模生產。奧布萊恩承認他 4 歲的女兒分解 21 的速度比他的計算機快，但他對未來持樂觀態度。“在 10 年後的今天，如果我們沒有一臺能夠分解 1,000 位數字、涉及數百萬量子位元的機器，我會感到非常失望，”他說。
但羅斯仍然是絕熱教會的忠實信徒——並且確信 D-Wave 的下一代將證明它可以解決指數級更困難的問題，而無需花費指數級更多的時間。“如果明年的這個東西表現符合我們的預期，那麼經典計算機將完全沒有希望，”他說。羅斯甚至認為硬體問題已經解決：他說，真正的挑戰將是軟體。“為這東西程式設計非常困難，”他承認；可能需要幾個月的時間才能弄清楚如何措辭一個問題，以便計算機能夠理解它。但 D-Wave 有團隊正在研究這個問題——包括羅斯。
羅斯預計會面臨激烈的競爭。但憑藉他與生俱來的戰鬥本能，他似乎已經準備好了。