揭秘谷歌可能改变世界的秘密武器

谷歌要用量子力学的法则建造一款计算机。人们会问：它要快上一千倍吗？还是要快上百万倍？“量子计算机不仅仅是我们所熟悉的那种计算机的更快速版本，它是一种从根本上全新的利用自然进行运算的方式。” 而快慢则完全取决于如何应用。

本文 转载自微信公众号“华尔街日报·派”（wsjpie），作者：Jack Nicas，摄影：Spencer Lowell。

 

哈穆特·奈文 (Hartmut Neven) 相信存在平行宇宙。最近有一天上午，在谷歌公司 (Google) 洛杉矶办公室外，这位53岁的计算机科学家向记者介绍了量子力学 （原子和粒子物理学） 如何支持所谓的多元宇宙论。奈文指着摆放在他与记者之间的录音设备称：“我们所看到的只是该设备的一个经典形态，但在我们目前无法感知的某个地方，该设备还以其他的形态存在。”据奈文称，这不仅适用于录音设备，而是适用于所有实体物件。他表示，即使像人类这样的系统，在平行宇宙中也存在人类所有个体的一个不同形态。

 

操着浓重德国口音、喜欢穿粉色克里斯提·鲁布托 (Christian Louboutin) 牌铆钉鞋的奈文主导了谷歌一些最具开创性的项目，包括图像识别软件和谷歌眼镜等。尽管没有在消费市场上取得成功，但谷歌眼镜开创了头戴式计算机的先河。奈文面前的任务可谓他职业生涯中最复杂的任务： 根据量子力学的奇特法则建造一款计算机。

什么是量子力学？

目前还没有关于量子力学的简短解释，但《Cliffs Notes》上的解释是这么说的：科学家已经证明原子可同时以两种状态存在，这种现象叫做态叠加。举例而言，单个原子可以同时出现在两个位置。

 

态叠加效应随着尺度的放大会变得更加不可思议。由于一切物体都是由原子组成的，一些物理学家推测，所有物体都能以多维形式存在，就像奈文说的，存在平行宇宙的可能。

 

即使爱因斯坦也无法理解这些。这位诺贝尔物理学奖获得者说，支撑量子力学的概念从根本上存在缺陷。而在他之后，科学家已经反复并且确凿地证明了这一理论。

在谷歌位于加州圣巴巴拉的实验室里，该公司娇贵的量子芯片被冻存于悬空的低温恒温器里

 

这些原理是下一场计算革命的依据。在加州圣巴巴拉郊外一个堆满冲浪板、潜水服和原声吉他的小实验室里，奈文与20多位谷歌物理学家和工程师正在利用量子力学原理建造一台可能有惊人力量的计算机。一台可以信赖的大型量子计算机可能颠覆从人工智能到化学的很多行业，加快机器学习以及新材料、化学品和药物的研制。

 

“如果研发成功，量子计算机将会改变整个世界，改变事物的运作方式。”物理学家、硅谷风险投资公司安德森·霍洛维茨基金 (Andreessen Horowitz) 合伙人、维贾伊·潘德 (Vijay Pande) 说。其公司投资了量子计算初创公司Rigetti Computing。

 

其他一些人，尤其是学者，所持的观点则有所出入。

 

得克萨斯州大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿伦森 (Scott Aaronson) 表示，“量子计算机不仅仅是我们所熟悉的那种计算机的更快速版本。它是一种从根本上全新的利用自然进行运算的方式。人们会问，‘它要快上一千倍吗？还是要快上百万倍？’这完全取决于如何应用。它有可能在短短一分钟内解决我们用经典方法永远也解决不了的问题。而在其它类型的测试中，量子计算机给你带来的助益甚微，或者完全帮不上忙。”

量子计算机时代何时到来？

近30年来，这些机器一直被认为仅属于科幻范畴。在现实中，可靠、且能大规模投入使用的量子计算机何时才能出现？就在几年前，各界的普遍预测是20年后，甚至永远不会出现。

 

Isara Corp.公司CEO斯科特·托茨克 (Scott Totzke) 说，“现在没人再说量子计算机永远都不会到来了。我们仍处在非常，非常早期的发展阶段，但这早已不是科幻了。”Isara Corp.是一家在研发量子计算机安全加密方案的加拿大公司。

 

全球企业和大学正竞相打造这类计算机，Alphabet Inc.的子公司谷歌似乎走在了前沿。明年年初，谷歌的量子计算机将面临决定性考验，它将解决一道一台传统计算机需要花费数十亿年才能解开的难题。如若成功，将意味着“量子霸权”的建立，这是量子计算机以往无法跨过的一道门槛。计算机科学家称，这将是一个里程碑，标志着计算机新时代的到来，以及所谓的“古典时代”的终结。

 

谷歌的这些64平方毫米芯片是是全球目前最先进的通用量子计算机

量子计算机的原理

经典计算机，比如你的笔记本电脑或者手机，以比特 (bit) 为单位存储和处理信息。每比特的值要么是1，要么是0。比特可用被称作晶体管的微型电路来表示。对于你的iPhone来说，指尖的每一次触控，镜头下的每一次自拍，都只不过是由“1”和“0”组成的一个长序列。

 

量子比特 (qubit )利用叠加同时以两种状态存在——实际是就是同时以1和0存在。在经典计算机中，比特就像是硬币，要么显示正面要么显示背面。而量子比特则像是被抛在空中的、不断旋转的硬币，同时显示正反面。

 

这种动态让量子比特能够较经典比特编码和处理多得多的信息，以至于计算机科学家称，时下性能最强大的笔记本电脑在量子计算机面前就像是算盘。理论上，一个占据数个城市街区的数据中心的计算能力，一个句点般大小的量子芯片就能实现。

 

那种潜力是指数式增长的结果。增加一个比特，对于经典芯片的计算能力的提升微不足道，但增加一个量子比特，则可让量子芯片的计算能力翻一倍。300个比特的经典芯片大概可以驱动一个基本功能的计算器。但300个量子比特的芯片，其计算能力则达到惊人的2乘以10的90次方比特——那是一个超过宇宙原子总数量的数字。

量子计算机 vs. 经典计算机

 

经典计算机采用比特这一信息量单位，用“1”或“0”来记录所有的信息状态。而量子计算机使用量子比特，这种单位能够同时是“1”和“0”。

这让量子比特在特定任务中能够处理比比特多得多的信息——尤其是在多任务结合的时候。每增加一个量子比特，量子计算机的运算能力就能翻一番，这种指数式增长可催生强大得多的规模化机器。

制图：Todd Detwiler

但这种对比仅适用于特定的运算任务。拿比特和量子比特比较不是易事，因为量子计算机和经典计算机是截然不同的两种机器。不同于经典计算机，量子计算机不会对一个问题的所有潜在解决方案进行测试。相反，它们利用算法来剔除导向错误答案的路径，仅留下导向正确答案的路径——那些算法仅适用于解决特定的问题。这使得量子计算机不适用于进行日常上网等用途，因此别指望会出现量子iPhone。但它们能够做的是，解决特定复杂到难以想象的问题，如合成新分子来设计更加轻盈的飞机部件、更加有效的药物和更好的电池。

 

量子计算机也存在错误率高的问题，因此部分科学家和数学家质疑它们的可靠性。 谷歌和其它的公司称该问题可通过纠正错误的算法来解决，但那些算法需要更多的量子比特来检查进行运算的量子比特的工作 。有的专家估计，检查单个量子比特的工作将需要额外增加100个量子比特。

 

有点懵？不只有你一个人如此。微软联合创始人比尔·盖茨最近接受《华尔街日报》旗下杂志“WSJ. Magazine”采访时称，公司的人给他展示幻灯片时，量子计算项目是他真正没搞懂的部分。

 

曾获得诺贝尔奖的理论物理学家理查德·费曼 (Richard Feynman) 说，“我想，可以说几乎没有人能够理解量子力学。”

 

费曼是最早提出量子计算机概念的人之一。1981年，他在一次演讲中说，模拟物理学将需要基于自然或者量子力学的计算机。“糟糕的是，自然并不经典，”他说道，“如果想要模拟自然，那你最好利用量子力学。”

量子计算机研发难在哪儿？

在之后的20年里，研究人员尝试打造费曼所设想的那种机器，但没有取得成功。量子比特被证明非常脆弱、多变。它们只能够将叠加状态维持几纳秒，即十亿分之几秒。而只有在叠加状态下，它们才拥有大规模运算能力。近乎感觉不到的细微温度变化，甚至空气的单个分子，都有可能让它们脱离那种状态。

 

“这有点像是试图让鸡蛋在针尖上保持平衡，”IBM量子计算机科学家杰瑞·周 (Jerry Chow) 在演讲中说，“你肯定能够做到，但一旦噪声、热量或者震动带来哪怕一丁点的干扰，也会让它搞砸。”

 

在过去的五年间，科学家们在量子计算机所需的平衡技术上取得了巨大的进步。资本随之大量涌入，谷歌、微软、IBM、英特尔等公司都在进行相关项目，来自潜在客户的兴趣也应声增加。

 

大众汽车正在测试由加拿大公司D-Wave Systems Inc.生产的量子计算机。这两家公司3月份表示，他们利用北京1万辆出租车上的GPS数据编制了一套算法，能够计算出抵达机场最快、交通最顺畅的路线。D-Wave称，一台传统计算机需要花费45分钟才能完成这项任务，但其量子计算机只需远不到1秒。

 

这样看来D-Wave似乎已经胜出，但该公司售价1,500万美元的2000Q型量子计算机只适用于范围很窄的数据分析，包括前面提到的大众汽车的测试。尽管2000Q拥有2,000个量子比特 （科学家警告说，这个数字不应拿来与通用量子计算机作比较，比如谷歌的量子计算机） ，但还没有达到量子霸权的地步。D-Wave总裁Bo Ewal表示，设计2000Q的初衷并不是用它来找到最优方案，而是在短期内找到一个足够好的方案。

拥有超能力的双刃剑

并非所有人都热切期盼精确的巨型量子计算机的到来。从信用卡交易到即时信息等一切事物的加密都是由一种因数分解的算法 （即反向乘法） 完成的。一个非常庞大的数字 （比如长度达到几百位的数字） 可以作为加密数据的锁，而这个数字的两个质因数则是钥匙。所谓的公钥加密被用来保护健康档案、在线交易和大量其他敏感数据，因为一台传统计算机要想找到这两个质数将花费数年的时间。但在理论上，量子计算机几乎可做到“立等可取”。

 

企业和政府正在忙着为一些人口中的量子元年 (Y2Q) 做准备。在量子元年，一部精确的大型量子计算机将问世，一些专家预计那将是在2026年前后。届时，人类守护最严密的数字秘密可能变得不堪一击。

 

去年，美国国家安全局 (NSA) 发布命令，要求美国国家安全职员和供应商必须要在“不远的将来”改造他们的加密系统，以防范量子计算机带来的威胁。由于国家安全信息必须要被保护数十年，该机构称新加密系统必须要在这些机器到来之前落实到位。该机构警告称，不然，可破译密码的量子计算机会对国家安全产生“毁灭性的影响”。

 

政府不仅仅在打防御战。据《华盛顿邮报》报道，前NSA雇员斯诺登2013年泄露的文件显示，作为8,000万美元的研究项目“攻坚”(Penetrating Hard Targets)的一部分，NSA正在开发自有的量子计算机。目前还不清楚NSA取得了多大的进展。该机构拒绝置评。

 

量子计算机竞赛的主要推动力是其颠覆整个行业的潜力。专家们认为，量子计算机近期最大的希望是为机器学习、人工智能以及相关行业注入超能力。机器学习和人工智能是当前迅速发展的两个领域。谷歌的奈文称，他预计10年内所有的机器学习都将在量子计算机上进行。

 

今年早些时候，这场商业竞赛急剧升温。5月，IBM发布一款16个量子比特的芯片，这对通用型量子计算机来说具有里程碑的意义。之前一天，一个行业组织发表了对谷歌量子硬件主管约翰·马丁尼斯 (John Martinis) 的采访。马丁尼斯在采访中不小心透露了谷歌有一款22个量子比特的芯片。

显微镜下拍摄的谷歌64平方毫米芯片图中，可以看到该公司巧妙的品牌宣传：该公司的名称Google出现在底部

走进谷歌量子计算机实验室

目前，谷歌的芯片被冷冻存放于该公司圣巴巴拉实验室内一个被称作低温恒温器的精制大桶里。 该看似闲适的实验室位于洛杉矶，是奈文领带的量子项目的基地。里面有乒乓球桌和各式各样的手鼓，整个空间感觉就像是附近加州大学圣巴巴拉分校校园的一部分。办公室负责人马丁尼斯是该大学的物理学教授，他的很多雇员都是研究生。

 

最近的一个下午，两位刚从加州大学圣巴巴拉分校获得博士学位工程师丹尼尔·赞克 (Daniel Sank) 和阿米特·温森彻 (Amit Vainsencher) 带我去看位于该实验室一个角落的闪闪发光的低温恒温器。他们梳着卷发马尾鞭，模样甚是休闲。由于受到再轻微的干扰，微粒也会脱离叠加状态，量子计算机必须要与外部世界完全隔绝开来。该低温恒温器的高导磁合金外壳可阻隔地球的磁场，它上面贴着一条保险杠贴纸，写着：“我的另一台计算机是经典型的。”

 

一个表面布满霜的容器被置于低温恒温器附近，容器中的压缩氦和液态氮可将恒温器内部的温度保持在-459.6华氏度 （-237.5摄氏度） ，该温度仅比最低的绝对零度高一点，这给谷歌的量子比特进行运算创造了所需的超导条件。“如果你晃动这个架子，你可以看到温度计的读数上升。”温森彻说，随后摇了摇将低温恒温器悬在空中来限制震动干扰的支架。他接着说，“我或许不该这么做。”

 

该装置如此错综复杂、昂贵，这意味着谷歌和它的同行很可能将在云端出售量子计算，可能会按秒计费。

 

目前，奈文和他的团队在南加州紧锣密鼓地完成49个量子比特的芯片。他们希望该芯片将开启量子霸权以及一个新的技术领域。在这个领域里，计算机利用的是复杂到无法想象的自然法则，而不是将世界转变成“1”和“0”。

 

奈文说，“这台计算机里面没有晶体管。它是一个全然不同的猛兽，是多元宇宙的原住民。”