量子计算机到底能做什么？

谷歌、IBM、IonQ、Rigetti和哈佛大学等多家顶尖机构都在建造量子计算机，很多人认为谷歌今年底有可能实现第一里程碑。

可是量子计算机到底能做什么？《量子杂志》（Quanta Magazine）发表的一篇博文介绍说：“量子计算机永远也不会完全取代传统计算机——比如您现在用来阅读这篇文章所使用的电子设备。它们不能运行网页浏览器、不能帮你报税、也不能从Netflix上看流媒体视频。”

研究者希望量子计算机能完成一些现在的计算机无法完成的计算，至少这是第一步，它也是研究者们普遍认可、设定的第一个里程碑。

谷歌正在醖酿一个命名为“量子至上”（quantum supremacy）的计划，简单地说就是要展现量子计算机如何超越现有计算机运行能力的极限。

什么是“量子至上”？

这个目标是抽像的，是人们期望量子计算机拥有的一种抽像的优越性，也就是说实现这个里程碑暂时是看不到什么实际用途的。

但是研究者认为它将是计算机历史上一个分水岭，为量子计算机以后解决实际问题奠定基础。

这一点科学家从量子计算机之前的发展历史中已“尝到甜头”。在上世纪90年代，第一个量子算法解决了一个无关紧要的问题，但是它帮助电脑专家后来开发出有重要实际用途的算法，比如为很大的整数分解质因数的舒尔算法（Shor’s algorithm）。

量子界的研究者们希望这样的过程还会重演——从造出具有“量子至上”能力的量子计算机的过程中，获得启发找到量子计算机以后更广阔的用途。

如何证明“量子至上”的实现？

德克萨斯大学计算机科学家Scott Aaronson说：“不像火箭发射或是核爆炸，可以看着它发生并立即知道它是否成功。”要证明“量子至上”目标的达成，要证明两件事：量子计算机完成一项运算任务很快；而传统计算机无法完成同样的任务。

后者可不容易。因为传统计算机也在不断快速发展，一直有效率更高的算法出现，要证明传统计算“不能”做什么，不是个简单的命题。

尽管如此，研究者尝试模拟掷骰子情形来证明量子计算机能实现传统计算机完成不了的运算。

传统计算机模拟掷骰子，只有6个可能的结果。量子计算机的“骰子”是量子比特，可以选择不同数位的量子比特作为不同“大小”的骰子。

比如选择一个具有50个量子比特的骰子，加上量子纠缠、量子叠加态的作用，可以得到2的50次方个可能性的状态结果。在传统计算机还没有找到更先进的算法的情况下，很快就会超载或溢出。

目前的障碍？

像传统计算机有各种“门”的计算一样，量子计算机也有“门”操作的概念。不同的“门”对量子比特状态实现不同的改变，就像“非门”进行反转运算、“与门”进行叠加运算等。

量子计算机将量子比特所要经过的“门”操作的数量叫做“深度”，如果要经过10个门操作，就称其“深度”为10。

如果进行少量的量子比特运算，传统计算机还是一样可以完成任务。研究者估计，当量子比特数目为70～100，深度为10的时候，目前的计算机就无法完成了，这个规模的运算就能展现“量子至上”。

但是，让量子工程师们头疼的是：随着量子比特和门的数量的增多，其运算错误的概率也在增大。如果出错概率太高，量子计算机较传统计算机就失去优越性。

目前量子计算机的门操作出错率很高，最佳的2量子数位的门操作出错率约为0.5%，即每200次运算就会出错一次。这比传统计算机高出太多。传统计算机每10的17次方个运算才会出错一次。量子工程师的目标是把出错率降低到0.1%。

各家的进展？

多家媒体称，谷歌今年底就能实现“量子至上”。不过，相同的说法2017年也出现过。

其它机构IBM、IonQ、Rigetti和哈佛大学据说也离目标不远了。每家采用的技术方式并不相同。

谷歌、IBM和Rigetti使用超导回路的方式；IonQ使用离子阱；哈佛使用铷原子；微软使用拓扑量子比特。

每种方式各有利弊

超导回路使用固态材料制造，执行门操作很快，但是量子比特无法移动，其中某些技术的实现很困难。而且需要超低温，每个比特还需要单独校准，这让制造大规模、有实际用途的量子计算机变得很困难。

离子阱中每个离子都是一样的，容易制造，而且禁锢的环境让量子比特在被环境干扰前有更多的时间进行计算。但是门操作很慢，比超导回路慢数千倍；而且离子可以四处活动，难以控制。

目前，超导回路技术进展最快。但是不管哪种技术都面临巨大的瓶颈。

加州大学的量子信息科学家Adam Bouland说，就像当年出现晶体管的突破一样，量子计算机的发展目前也需要出现一种突破性进展。