當被問及在谷歌工作最喜歡什麼時，物理學家約翰·馬丁尼斯並沒有提到走廊裡著名的按摩椅，也沒有提到位於加利福尼亞州山景城公司園區內幾乎隨處可見的免費零食。相反，他驚歎於谷歌對追求遠大目標失敗的容忍度。“如果他們嘗試的每個專案都成功了，”他說，“他們會認為自己不夠努力。”
馬丁尼斯認為他將需要那種耐心。9月，谷歌從加州大學聖巴巴拉分校招募了他和他20名成員的研究團隊，並讓他們著手構建量子計算機這一齣了名的艱鉅任務：利用量子世界的古怪特性進行計算的裝置，這些計算是普通計算機在宇宙的生命週期內都無法完成的。
自20世紀80年代初提出這一願景以來，它一直讓馬丁尼斯和許多其他物理學家感到沮喪。實際上，這種計算機必不可少的量子效應非常脆弱且難以控制：如果一個來自外部的雜散光子或振動以錯誤的方式擊中裝置，計算就會崩潰。即使在經過三十年的努力之後，世界上最好的量子計算機也只能勉強解決學校級別的問題，例如找到數字 21 的質因數。（答案：3 和 7。）
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結果是進展速度如此緩慢，以至於懷疑論者經常將量子計算比作核聚變能源：它是一種革命性的技術，但似乎總是遙遙無期。
但也許並非如此。該領域的許多物理學家認為，他們30年的努力可能終於要獲得回報。他們不僅現在可以生成持續數分鐘而不是納秒的量子位元（或“qubits”），而且在糾正由外部擾動和其他原因引起的錯誤時也做得更好。與此同時，量子軟體工程師正在提出可以證明開發這些機器的費用是合理的應用程式，例如為工業流程尋找新的催化劑。
有用且有利可圖的量子計算機的前景足以吸引谷歌、IBM 和微軟等公司加入這場遊戲。一些學術團體也在推動這項技術朝著實用的方向發展。例如，在荷蘭代爾夫特理工大學，政府支援的 QuTech 中心正在將研究人員與荷蘭高科技產業聚集在一起。代爾夫特物理學家羅納德·漢森說，他將在五年內製造出通用量子計算機的構建模組，並在十多年一點的時間內製造出一臺功能齊全（如果笨重且效率低下）的演示機器。
馬丁尼斯說他沒有固定的時間表，但也同樣樂觀。“我們在過去幾年中讓很多事情運轉起來了，”他說。“自然界仍然有可能不允許它工作，但我認為我們有相當大的機會。”
七十年代的產物
量子計算的概念基礎是在 20 世紀 70 年代和 80 年代早期奠定的——最著名的是已故的美國物理學家理查德·費曼，他在 1982 年發表的關於該主題的演講被廣泛認為是該領域的開端。基本的見解是，傳統計算機是“非此即彼”的機器，這意味著編碼給定資訊位的微小矽電路就像一個開關，要麼開啟要麼關閉。這意味著它可以表示諸如“真”或“假”之類的選擇，或者二進位制算術的 1 和 0。但是在量子領域，“非此即彼”讓位於“兩者兼有”：如果二進位制 1 用例如順時針旋轉的電子表示，而 0 用逆時針旋轉的電子表示，那麼控制這些粒子的亞原子定律使得給定的量子位元可以同時為 1 和 0。
透過擴充套件，構成量子計算機記憶體的量子位元集可以同時存在於 1 和 0 的每種可能的組合中。經典計算機必須依次嘗試每種組合，而量子計算機可以同時處理所有這些組合——實際上，並行地對每組可能的輸入資料執行計算。並且由於組合的數量隨著記憶體大小呈指數增長，因此量子計算機有可能比其經典計算機快指數級。
1994 年，當美國數學家彼得·秀爾開發出一種演算法，該演算法將允許量子計算機非常快速地分解大數時，這種見解變得不僅僅是一種科學的好奇心。對於標準計算機來說，這種因式分解非常耗時，這就是為什麼它構成了廣泛使用的加密技術的基礎。秀爾的演算法意味著原則上，量子計算機可以破解該加密技術。
然後在兩年後，新澤西州默裡山貝爾實驗室的研究員洛夫·格羅弗設計了另一種演算法，該演算法展示了量子計算機如何能夠從根本上加速對海量資料庫的搜尋。
如此明顯重要的應用的演示迅速吸引了研究人員和資金——伴隨著關於工作量子計算機將在幾年內準備就緒的說法。“但事後看來，他們太天真了，”漢森說。研究人員已經能夠透過設計專門用於解決特定問題的專用量子裝置來取得一些進展（參見 Nature 491, 322–324; 2012 和 Nature 498, 286–288; 2013）。但是，實現最終目標——通用、數字量子計算機，它可以程式設計來執行任何演算法——已被證明要困難得多。
問題是量子效應的極端脆弱性：來自外部世界的任何輕微影響都會導致量子位元崩潰，從而使其不再同時代表多種不同的狀態。如果量子位元要在現實世界的計算中發揮作用，則必須將其保持在最嚴格的隔離狀態並小心操作——極其困難的任務。它們還需要在量子態中保持的時間比執行計算步驟所需的時間長得多——通常約為微秒或更長時間。
為了實現這些目標，物理學家正在採取雙重策略：延長量子位元的壽命並減少它們出錯的頻率，以及設計可以糾正確實發生的任何錯誤的演算法。
許多研究人員目前青睞的量子位元設計是基於由超導體（在極低溫度下失去所有電阻的材料）製成的微晶片級電路。由於稱為約瑟夫森效應的量子現象，在這些電路中的微小環路周圍流動的電流可以同時順時針和逆時針方向環繞，因此非常適合表示量子位元。馬丁尼斯說，這種電路很難實現。“你必須花費多年時間來弄清楚所有的物理原理。” 但是，在花費十年時間改進設計並學習如何將電路與環境隔離後，他的團隊和其他團隊已將量子位元壽命提高了 10,000 倍，這意味著它們現在可以定期將其狀態保持約 50 到 100 微秒。他們還透過找到更好的方法來操縱和控制計算過程中的量子位元，從而大幅降低了錯誤發生的頻率。
對於基於電子或原子核自旋的量子位元，壽命一直更難提高，因為這些自旋很容易被相鄰粒子的磁場翻轉。然而，在 10 月，澳大利亞悉尼新南威爾士大學的物理學家 Andrea Morello 和 Andrew Dzurak 宣佈，他們透過將自旋量子位元嵌入不含該元素磁性同位素的純化矽中，消除了這種干擾。由此產生的量子位元壽命長達 30 秒。
1997 年，加州理工學院帕薩迪納分校的物理學家阿列克謝·基塔耶夫提出了一種更為激進的方法：用任意子製造量子位元，任意子是從許多粒子的集體特性中產生的物質狀態，但表現得像一個粒子。一些任意子具有另一個特殊屬性：它們的量子態揭示了它們最近相互作用的歷史。基塔耶夫認為，如果將這些任意子用作量子位元，則它們的相互作用順序可以編碼資訊。並且由於這種編碼有效地分佈在整個系統中，因此量子位元將對任何單個部分中產生的錯誤具有天然的保護作用。
這些被稱為“拓撲量子位元”的實體仍然是理論上的，但這個想法顯示出足夠的希望，以至於微軟和許多其他公司正在投資努力在實驗室中建立它們。
然而，即使使用最強大的量子位元，錯誤也是不可避免的。在普通計算機中也是如此，但錯誤在量子計算機中尤其麻煩，因為它們會隨著量子位元的數量呈指數增長。“最終構建量子計算機的真正訣竅之一是找到一種繞過它的方法，”加拿大滑鐵盧大學的實驗量子物理學家戴維·科裡說。
這意味著實施某種形式的量子糾錯。在標準計算機中，糾正錯誤可以像從每個位元的多個副本開始一樣簡單。對副本進行多數表決可以揭示其中任何一個副本是否後來從 1 翻轉為 0，反之亦然。這在量子世界中行不通，因為不可能在不破壞其量子態的情況下複製量子位元。但是量子位元可以進行比較，因此理論家們試圖設計糾錯方案，詢問各個量子位元對它們的值是相同還是不同，然後使用答案來推斷單個量子位元是否出錯。
直到最近，一個大問題是量子位元通常每十個計算步驟就會出現大約一個錯誤，而可用的糾錯方案根本無法跟上。“理論家們說我們需要平均錯誤率達到，比如說，每 100,000 次操作出現 1 次錯誤，”倫敦大學學院的實驗物理學家約翰·莫頓說。然而，在今年 4 月，馬丁尼斯和他的團隊宣佈，他們已經演示了一種“表面程式碼”方案，該方案將量子位元的量子資訊分散在幾個物理量子位元中，類似於基塔耶夫為拓撲量子位元提出的方案。在其出版物中，該小組描述了他們如何使用這項技術以可以處理高達每 100 次操作 1 次錯誤率的方式實現了 5 個量子位元的資訊——他們和其他人現在能夠達到的速率。
勇往直前
莫頓說，量子位元錯誤率的提高以及程式碼應對錯誤的能力共同徹底改變了該領域的前景。“現在令人興奮的是我們可以專注於擴大規模，”他說。
在 QuTech 中心，漢森表示同意。“沒有剩下任何根本性的障礙，”他說。他現在正在招聘 5 名電氣工程學教授職位，並尋找 40 名技術人員和研究人員，以便他可以將規模從實驗室實驗擴大到實用技術。他們的主要任務將是弄清楚如何製造大規模量子位元陣列，如何控制量子計算並讀取結果，以及如何將量子電路連線到位於同一晶片上的經典電子裝置。
漢森和他的同事列文·範德西彭（他領導代爾夫特大學開發嵌入在稱為量子點的微小半導體晶體中的自旋量子位元的工作）都計劃在未來 5 年內構建 17 個量子位元的陣列。他們說，這是證明表面程式碼方案按預期工作所需的最小值。要建立一個在執行真實演算法所需的數小時內保持正確的單個虛擬量子位元，可能意味著將其資訊分散在 100 個物理量子位元上。每個額外的量子位元都會增加硬體的複雜性。但是，一旦一個團隊掌握了建立幾十個物理量子位元的訣竅，他們相信，擴充套件到製造少量虛擬量子位元所需的 100 個量子位元應該容易得多。“然後就是雄心勃勃的工程，要達到 100 個或 1,000 個。我希望在 10 年內我們將討論數百個量子位元，”範德西彭說。
然而，在瑞士聯邦理工學院蘇黎世分校，理論物理學家馬蒂亞斯·特羅耶警告說，實現數百個量子位元的目標既不容易也不便宜。特羅耶假設量子晶片至少與半導體晶片一樣難以製造，他估計，弄清楚如何批次連線、操縱和製造量子位元將是一個價值 100 億美元的問題。他說，這提出了一個關鍵問題。“為什麼要這樣做呢？”
特羅耶在過去三年中一直在尋找答案——一種量子計算的“殺手級應用”，這將使開發成本物有所值。特羅耶說，程式碼破解和搜尋資料庫這兩個經典示例還不夠好。他說，秀爾的演算法將需要數千個量子位元才能進行任何認真的因式分解，並且還有其他形式的加密，量子計算機對此無能為力。儘管量子計算機可以更快地搜尋資料庫，但它們仍然受到將資料輸入電路所需時間的限制，而這不會改變。
特羅耶認為，在不久的將來，一個更有成效的應用是對材料和分子中的電子進行建模——這很快就會變得對於當今的超級計算機來說太困難了。起初，這似乎也是一個遙不可及的目標。他早期的估計表明，量子計算機需要長達 300 年的時間才能模擬即使是小分子（例如植物固氮作用中涉及的鐵氧還蛋白中的硫化鐵）的分子動力學。“顯然，這有點像科幻小說，”他說。但是透過重寫軟體，他將這個數字降至 30 年——然後降至僅 300 秒。“就像在經典計算中，人們必須坐下來最佳化演算法一樣，”他說，“量子演算法也需要這樣做。”
特羅耶說，擁有大約 400 個編碼量子位元，就有可能分析改進工業固氮作用的方法——這是一種能源密集型工藝，可將空氣中無反應分子轉化為肥料。這種反應現在正在工業規模上使用 116 年曆史的哈伯法進行，但這消耗了全球每年約 5% 的天然氣產量。特羅耶認為，量子計算機可以幫助設計一種催化劑，這種催化劑將比目前的催化劑節能得多。“這將值得為此構建一臺量子計算機，”他說。
其他殺手級應用可能是尋找新的高溫超導體，或改進用於從空氣或工業廢氣流中捕獲碳的催化劑。“所有這些都是重要的問題。如果它在這些方面取得進展，那麼很容易就值 100 億美元，”特羅耶說。
然而，就目前而言，馬丁尼斯和該領域的其他資深人士警告說，量子計算仍處於早期階段。儘管工業界現在已深入研究，但甚至沒有人擁有這些東西可以玩。他說，今天的量子計算堪比二戰後幾年的傳統計算，當時每臺裝置都是手工製作的實驗室實驗。“我們介於電晶體的發明和積體電路的發明之間，”他總結道。馬丁尼斯說，在谷歌，該專案具有矽谷初創公司的活力，儘管有雄厚的資金支援。經過多年完善量子位元的辛勤工作，他很高興最終能夠專注於構建一臺真正可以解決實際問題的量子計算機。“谷歌為從事硬體工作的科學家創造了一個新名稱‘量子工程師’，”馬丁尼斯說。“這對我來說是一份夢想的工作。”
本文經許可轉載，首次發表於 2014 年 12 月 3 日。