2020年，在加州理工學(xué)院的東北角，一座兩層建筑平地而起。雖然設(shè)計(jì)不起眼，但在這棟建筑里面發(fā)生的事情可能會(huì)改變量子計(jì)算的未來，它就是AWS量子計(jì)算中心，也是加州理工學(xué)院和亞馬遜云計(jì)算合作的重大成果。這項(xiàng)合作的目標(biāo)是助推量子計(jì)算機(jī)和相關(guān)研發(fā)技術(shù)的落地，這些技術(shù)有可能徹底改變數(shù)據(jù)安全、機(jī)器學(xué)習(xí)、醫(yī)學(xué)發(fā)展等領(lǐng)域。

“大多數(shù)人都知道亞馬遜這家公司?！奔又堇砉W(xué)院理論物理學(xué)教授兼AWS 量子算法負(fù)責(zé)人費(fèi)爾南多?布蘭唐表示: “亞馬遜不止是一個(gè)購物平臺，它也是科技領(lǐng)域的巨頭企業(yè)。亞馬遜AWS云服務(wù)是當(dāng)今世界上最大的云服務(wù)提供商。他們除了正在考慮如何讓AWS的用戶進(jìn)行更簡單、更便捷的計(jì)算，還在考慮未來5年或10年內(nèi)如何讓量子計(jì)算和云計(jì)算并行?！?/p>

加州理工學(xué)院在量子科學(xué)領(lǐng)域有著悠久的歷史，這項(xiàng)合作將有助于在量子計(jì)算的商業(yè)應(yīng)用與該學(xué)院基礎(chǔ)研究之間架起一座橋梁。

加州理工學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)教授兼AWS量子硬件負(fù)責(zé)人奧斯卡 · 佩因特表示，量子計(jì)算仍然是一項(xiàng)非常全新的技術(shù)，因此將開發(fā)工作與學(xué)術(shù)界的最新研究直接聯(lián)系起來至關(guān)重要。

這是加州理工學(xué)院第一個(gè)與企業(yè)合作的量子計(jì)算項(xiàng)目，它反映出加州理工學(xué)院想將基礎(chǔ)科學(xué)引入市場的決心。AWS中心還將通過獎(jiǎng)學(xué)金、實(shí)習(xí)和研討會(huì)等方式支持從事這類項(xiàng)目研究的加州理工學(xué)院的學(xué)生和科學(xué)家。

“學(xué)生們將有機(jī)會(huì)通過加州理工學(xué)院接觸并研討最前沿的科學(xué)技術(shù)，這對學(xué)生來說機(jī)會(huì)非常難得?！迸逡蛱卣f，“ AWS也能拉動(dòng)學(xué)院的人才互動(dòng)，這些人才將是未來的工程師和科學(xué)家，他們將是建造量子計(jì)算機(jī)的中堅(jiān)力量?！?/p>

擴(kuò)大規(guī)模

建造量子計(jì)算機(jī)的最大挑戰(zhàn)之一就是擴(kuò)大其量子比特規(guī)模。由于量子計(jì)算機(jī)背后的研發(fā)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，目前的原型機(jī)仍處于試驗(yàn)階段。量子計(jì)算機(jī)想要真正超越今天的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，就需要擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)的量子比特規(guī)模。

例如，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)只能在幾十個(gè)量子位上工作，這些量子位相當(dāng)于比特，或者說1和0構(gòu)成了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的語言。研究人員想要建立一個(gè)擁有數(shù)千個(gè)量子比特甚至更多的量子計(jì)算機(jī)，“傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)有數(shù)十億甚至數(shù)萬億的比特，這就是我們最終想要的量子比特?cái)?shù)。”布蘭唐說。

佩恩特說，盡管一些媒體的報(bào)道暗示量子計(jì)算機(jī)即將問世，但這項(xiàng)技術(shù)仍處于初級階段?！?/span>我們現(xiàn)在可以用量子計(jì)算機(jī)來解決一些小問題，但是我們需要在很長一段時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的量子比特規(guī)模，以此才能真正解決重大問題。而弄清楚量子計(jì)算機(jī)最好解決什么問題也是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。令人興奮的是，我們已經(jīng)能夠控制大規(guī)模的量子系統(tǒng)，但還沒有找到所有的答案。”

與比特不同的是，量子比特可以處于疊加態(tài)，在這種狀態(tài)下，量子比特同時(shí)處于1和0的狀態(tài)、處于兩者之間的所有可能狀態(tài)。(在埃爾溫·薛定諤著名的疊加類比中，貓可以同時(shí)是死和活的狀態(tài)，但也可以是這兩種狀態(tài)的任意組合或疊加。)

什么是“退相干”？

量子比特同時(shí)處理多種狀態(tài)的能力，使得量子計(jì)算機(jī)在某些類型的問題處理上具有比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的指數(shù)級潛力，包括化學(xué)、金融、密碼學(xué)等等。但是這種能力也有缺點(diǎn)，量子比特非常脆弱，任何微小的擾動(dòng)，比如震動(dòng)或者熱量，都可以把它們從疊加態(tài)中“推出去”，這種現(xiàn)象被稱為“退相干”。未來量子計(jì)算機(jī)的建造關(guān)鍵就在于有效操控這些由退相干引起的錯(cuò)誤。

“我們現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中晶體管的錯(cuò)誤率非常低，只有十億分之一的錯(cuò)誤率，這使得復(fù)雜的計(jì)算得以完成?！迸逡蛱卣f，“量子計(jì)算機(jī)目前受到錯(cuò)誤率的限制，大約每千次操作就會(huì)有一次錯(cuò)誤。”

AWS的主要目標(biāo)是創(chuàng)建量子計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，在硬件中建立量子糾錯(cuò)功能。AWS的硬件依賴于超導(dǎo)量子比特，它在略高于絕對零度的超低溫環(huán)境下工作。量子糾錯(cuò)方法是使用冗余的量子比特集合形成邏輯量子比特，對量子信息進(jìn)行編碼，可用于檢測和糾正錯(cuò)誤。量子糾錯(cuò)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是每個(gè)邏輯量子比特所需的物理量子比特的數(shù)量與大量的硬件相關(guān)聯(lián)。

“在糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)中，構(gòu)成邏輯量子比特的物理量子比特越多，邏輯量子比特相對于單個(gè)物理量子比特的錯(cuò)誤率就越低。”佩因特說，“在未來，我們希望將邏輯量子比特的數(shù)量增加到數(shù)百或數(shù)千，同時(shí)將邏輯量子比特錯(cuò)誤率降低多個(gè)數(shù)量級，這樣我們就可以執(zhí)行足夠復(fù)雜的量子計(jì)算以此來處理高難度問題，因此我們需要進(jìn)一步開發(fā)物理硬件和邏輯量子比特體系結(jié)構(gòu)?！?/p>

量子之源

由于加州理工學(xué)院在量子科技領(lǐng)域的悠久歷史，使得它非常適合作為量子創(chuàng)新的中心。已故的理查德 · 費(fèi)曼是加州理工學(xué)院的資深物理學(xué)教授，也是最早提出量子計(jì)算機(jī)概念的偉人之一。在1981年的一次演講中，他提出了一個(gè)著名的觀點(diǎn):?用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬物理學(xué)中的系統(tǒng)有局限性，因?yàn)樽匀唤绮皇墙?jīng)典態(tài)，如果想要模擬自然界，最好用量子力學(xué)進(jìn)行模擬。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的加州理工學(xué)院校友彼得 · 肖爾開發(fā)了一種量子算法，可以在非常短的時(shí)間內(nèi)分解大量數(shù)據(jù)，展示了量子技術(shù)的巨大威力。例如，一臺量子計(jì)算機(jī)可以在8小時(shí)內(nèi)分解2048位數(shù)字，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要300萬億年。肖爾還助推了量子糾錯(cuò)碼的發(fā)展。

加州理工學(xué)院的杰夫·金布爾和物理學(xué)榮譽(yù)退休教授威廉·瓦倫丁，是第一批在1998年實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的人，通過糾纏將信息從一束光束發(fā)送到另一束光束，這個(gè)過程中粒子之間沒有直接接觸。2008年，他們和同事率先將糾纏量子態(tài)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中。

“我在加州理工學(xué)院讀研究生時(shí)，曾與杰夫?金布爾一起學(xué)習(xí)。金布爾以極高的靈敏度測量了小型原子—光子量子系統(tǒng)，并正在利用這些系統(tǒng)開發(fā)量子協(xié)議，有朝一日，這些系統(tǒng)可能最終會(huì)被用于創(chuàng)建某種形式的量子互聯(lián)網(wǎng)?！?/p>

現(xiàn)在在加州理工學(xué)院讀研究生的安妮卡·杜加德說，在校園里設(shè)立 AWS 中心會(huì)給加州理工學(xué)院的尖端量子研究帶來更多的便利。杜加德是亞馬遜資助的幾位研究生學(xué)習(xí)的學(xué)者之一，她正在利用AWS的支持來研究黑洞信息悖論，這個(gè)謎團(tuán)在20世紀(jì)70年代早期由斯蒂芬 · 霍金首次揭開，它探索了困在黑洞中的信息會(huì)發(fā)生什么。最后，杜加德說她想把她所學(xué)到的東西應(yīng)用到量子計(jì)算中更實(shí)際的問題上。

“量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新的范式?！辈继m唐表示，“雖然量子計(jì)算還處于早期階段，但我認(rèn)為它的發(fā)展也非常令人期待?！?/p>

翻譯：任怡樸

編輯：慕一