當前量子電腦的大計劃

第一批的量子電腦已經快要問世了。在紐奧良召開的2017美國物理學會三月大會的第一天一大早，來自谷歌(Google)、微軟(Microsoft)、和哈佛大學的研究者們就在一個擁擠的房間裡，向擠在裡面的物理學者們討論他們最近在量子電腦方面的成果以及他們對這個還不太成熟的技術的近程計畫。

來自谷歌的量子電腦主教級大師約翰.馬丁尼斯(John Martinis)提出了他們公司的「延伸目標」是在今年底建造及測試一台49-量子位元(qubit)的量子電腦。這個電腦所使用的的量子位元是由超導線路製作。每一個量子位元將被定在一個二元狀態系統的某一個精確的量子態。這次的測試將成為量子電腦技術的里程碑。接續在馬丁尼斯之後，也是來自谷歌的舍吉歐.布埃索(Sergio Boixo)接著說明，他說一個大約50個量子位元的量子電腦就可以在執行某些困難任務的速度上超過最快的古典電腦。




學者們說，在像解決質因數分解或者精確模擬有機分子這一類計算超繁瑣的問題時，量子電腦保證在速度上會有指數的增長。這是因為「量子糾纏」：如果你預備了相互糾纏的量子位元，那麼你就可以同時操作好幾個狀態。
 

為了顯示他們的49-量子位元電腦真的有用，馬丁尼斯的團隊會將這些量子位元植入一個晶片，先精確的定好量子位元的初始量子態，然後透過外加的電位來控制量子位元的狀態演進。最後，他們會將測量到的量子位元狀態和一個針對該實驗所做的理論模擬結果相比較（這個理論模擬的計算是使用一個古典的超級電腦來做的）。如果兩者相符，那就表示研究團隊的確能夠操控量子位元的量子態演化，也就表示他們可以進行量子計算！

這個示範並不對應於任何有用的計算工作，他只是要表現他們能夠確實掌控他們的的量子位元。「由於這個實驗牽涉到的是隨機演算法，所以那個演算法不會有什麼實際的用處，」馬丁尼斯說：「但是我們仍然可以將輸出的實驗結果和電腦模擬的結果做非常精確的比對，而確定實驗和理論是彼此吻合的。」

面對年底即將來臨的挑戰，雖然他們終究必須搞清楚所有的細節，但是馬丁尼斯他們對於設計那個49-量子位元的電腦已經有了大的圖像。由於研究團隊已經成功的建造而且測試過了9-量子位元版的量子電腦，馬丁尼斯說：「我們事實上對於這個任務大大小小的部分，感覺都還頗為自在。」

在製作49-量子位元版的電腦之前，團隊會先將系統擴充至20或30-量子位元。將一座量子電腦容量加大一倍有點像從已經掌握的單核電腦技術去製作一台雙核的電腦。馬丁尼斯說：「你當然必須顧慮到會出現有些交互作用，但是你一旦知道怎麼去做一個，那麼去做兩個之後再把他們兜在一起就不是太難的事了。」
 

一個0.6公分乘0.6公分大小、被稱為「transmon」的量子位元原型，是谷歌在2014年運用超導線路做出來的，而谷歌將會使用49個更新版的這一型的量子位元來執行即將進行的量子電腦測試。Image: Michael Fang

除了量子電腦牽涉到新的問題，那些所有實驗都會遇到的麻煩在這個工作裡也都會碰到。「我們有120條線路要接到我們量子位元所在的那個晶片，而且他們全部都不能出錯，」馬丁尼斯說道：「當然，差錯大概很難免，而某些個硬體也可能會失靈。」除此之外，控制雜訊也是一大挑戰：越多個量子位元等同於更大犯錯的空間。

即使有了49個量子位元，這一台量子電腦仍然離廣泛的使用有相當距離。要製造一台能取代你研究室所用電腦的「通用的」量子電腦，馬丁尼斯說道：「你需要百萬個量子位元！」

除此之外，當量子位元的製備或控制如果出現甚麼瑕疵的時候，一台通用的量子電腦需要能夠從中自行除錯。但是除錯的機制不是簡單直接的。古典電腦的除錯方法需要複製數據，然而依據基本的「不可克隆定理」，量子態是無法複製的。有學者提出過量子除錯的演算法，但古歌電腦還將不會使用那些演算法。

即便如此，學者們認為這種49-量子位元尺度的量子電腦仍然可以執行一些特定的任務，特別是化學方面的問題。哈佛大學的艾倫.亞斯普魯-辜吉克教授(Alán Aspuru-Guzik)就提到使用量子電腦來設計新材料的分子。舉例來說，他就想要來模擬製作太陽電池的有機光伏材料。

目前，古典電腦只能近似的來模擬分子的量子特性，但是量子電腦基於其內在的量子性使得量子電腦能夠對這些特性做精確的模擬。亞斯普魯-辜吉克教授就花了好多年在思考如何將這些化學模擬的方法轉換為量子電腦能夠讀而且操作的形式。

與會的演講者們也提出了執行近程計畫的流程。微軟的克萊斯塔.司福耳(Krysta Svore)講到了甚麼樣的量子軟體架構能夠容易的撰寫及編譯電腦程式。亞斯普魯-辜吉克教授討論了一種模擬模型系統的演算法，這種演算法結合了量子電腦與古典電腦的使用，他說：「你需要安排這些電腦各司其職，讓他們做他們最擅長的事。」
在其他的議程裡，研究者們呈現了多種量子位元的實驗進展-不只是超導體類的，更有半導體類的，例如矽量子點量子位元。瑞吉提計算公司(Rigetti Computing)的研究者提出了一種方法，能夠大尺度的將超導量子位元置入晶片上的積體電路。一個加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)馬提耳.馬力安多尼教授(Matteo Mariantoni)所領導的團隊發表了一種避免量子位元出錯的方法：用銦元素覆蓋住鋁超導線路就能將量子位元屏蔽起來。

但是這些屏蔽效應卻反映了一個量子位元操控上的基本挑戰。如果想要持續保留資訊，一個量子電腦裡的一個量子位元必須要能長時間的維持在其量子態。「最佳作法就是將那個量子位元與外界隔絕開來，」馬丁尼斯說道：「但是這樣子會使得量子位元之間無法互動來執行計算。」

在上個月的「自然」雜誌(Nature)刊出的文章裡，谷歌團隊就預測了大約再過5年的時間，工業界將能夠讓小型且用在特殊用途的量子電腦商業化。馬丁尼斯說道：「如果我們能做出一些有用而且商業上是可行的東西，那麼就會有資金投入來建立而且擴展這個工業。」

感謝美國物理學會(APS)授權物理雙月刊，進行中文翻譯並刊登。原文刊載於Big Plans Ahead For Quantum Computing, APS NEWS May, 2017 https://www.aps.org/publications/apsnews/201705/quantum.cfm