一份蓝图：量子计算机该如何走向实用时代？

通用型量子计算机的开发之路虽然艰难，但并非不可能。

经典魔方拥有43252003274489856000种可能的组合。大家可能会好奇，人类是如何将这样一个经过加扰的多维数据集恢复至初始状态，即每侧仅排布同一种颜色的。更夸张的是，有些人在看过一遍打乱后的状态后，蒙上眼睛也能把魔方快速复原。之所以可行，是因为魔方的排列背后存在一套基本规则，因此操作者总是能够在20步或者更少的操作量之内将其还原至初始状态。

控制量子计算机，在原理上有点像蒙住眼睛破解魔方：初始状态一目了然，而且基本元素（量子比特）也是明确且有限的，可以通过一且简单的规则进行操作及表达（表示量子态的旋转向量）。但问题在于，操作过程中一旦行观察，就会给系统的运转结果造成严重影响：如果查看过早，则计算将受到干扰。换言之，我们只能查看计算给出的最终状态。

量子计算机的强大之处在于，这套系统可能同时处于多种组合状态当中。不少专家认为这种特性意味着量子计算机根本不可能被创造出来——即使被创造出来，也无法有效操控。他们的理由也明确，描述状态组合所需要的参数实在太多。没错，控制量子计算机并确保其状态不受各类错误源干扰本身，确实是一项极为困难的工程学挑战。但是，真正的难点并不在于复杂的量子态，而更多体现在保证基础控制信号集正常起产方面——如果保证不了这一点，我们根本无法验证量子比特的行为是否与预期相符。

如果工程师们能够找出答案，那么量子计算机终有一天会解决当前经典计算机搞不定的难题，包括破解传统意义上无法破解的密码、加快新药的发现、改善机器学习系统并解决极为复杂的物流优化问题等等。

人们的期望高涨，科技企业与各国政府也将数十亿美元砸向量子计算机研究领域。但这仍是一场赌博，因为成就这一切巨大潜力的量子力学效应，同时也导致这类设备极为敏感且难以控制。

但结果必然如此吗？经典超级计算机与量子计算机之间的核心差异，在于后者会利用某些量子力学效应以反直觉的方式进行数据操控。这里我们只能简单聊聊纯技术内容，但相信这样的表述应该足够帮助大家理解量子计算机在工程设计层面的难度，以及克服这些障碍的某些可行策略。

传统经典计算机面对的是二进制比特，每一位必须为0或1；量子计算机面对的则是qubits，即量子比特。与经典比特不同，量子比特可利用叠加态这一量子力学效应，使得单一量子比特同时处于0与1的叠加状态。在描述某个量子比特的状态时，我们实际上是在描述其处于1与0所对应的概率系数——这将是一个复数，由实部与虚部共同构成。

经典超级计算机与量子计算机之间的核心差异，在于后者会利用某些量子力学效应以反直觉的方式进行数据操控。

在一台多量子比特计算机当中，我们可以通过非常特殊的方式创建量子比特，确保某一量子比特的状态无法以脱离另一量子比特状态的前提下进行描述。这种现象被称为纠缠态——多个量子比特的纠缠态，要比单一量子比特的状态更加复杂。

二比特经典二进制组合只能表达00、01、10及11这四种状态，但两个相互纠缠的量子比特却能够处于这四种基础状态的叠加态中。换言之，两个相互纠缠的量子比特可能包含一定的00度、一定的01度、一定的10度以及一定的11度。三个量子比特相互纠缠将代表八种基本状态的叠加。因此，n个量子比特将处于2n个状态的叠加态。在对这n个相互纠缠的量子比特执行操作时，将等同于同时处理2n位信息。

我们对量子比特执行的操作，类似于旋转魔方。但最大的区别在于，量子旋转永远不可能完美。由于信号质量控制能力的限制以及量子比特极高的敏感度，我们对量子比特旋转90度的操作很可能最终带来了90.1或者89.9度的结果。这样的错误看似不大，但其影响会快速叠加起来，最终输出完全错误的结果。

提高实现门槛的另一个因素是退相干：量子比特会逐渐失去其承载的信息，即脱离纠缠态。引发这种情况的原因，在于量子比特与环境之间存在一定程度的相互作用，即使存储量子比特的物理基质经过精心设计、高度隔离，仍无法彻底消除这种作用。虽然我们可以使用所谓量子误差校正来补偿误差控制与退相干造成的影响，但这同时要求我们引入更多物理量子比特，而它们同样需要受到相应的校正保护。

不过一旦克服了上述技术难题，量子计算机将在某些特殊类型的计算中发挥出无可比拟的价值。在量子算法执行完毕后，设备将测量其最终状态，并在理论上解决众多经典计算机无法在合理时间内解决的数学问题。

那么，我们要如何设计一台量子计算机？在工程层面，目前的最佳作法是将机器的主要功能拆分成多个包含相似性质或者所需性能的子功能组。这些功能组能够更轻松地与硬件映射起来。我和我的同事们发现，量子计算机所需要的功能可以天然划分为五类，即概念意义上的五种控制层。IBM、谷歌、英特尔以及其他各类企业机构的研究人员都在遵循类似的策略。当然，这只是可能性较高的一种，目前还存在其他一些量子计算机构建方法。

下面，我们来具体了解这块五层“大蛋糕”。首先从最顶层起步，民就是硬件内部结构中位置最高的抽象层。

最重要的部分自然是顶部的应用层，它并不是量子计算机的物理组成部分，但在整个系统中扮演着核心角色。它代表着组成相关算法所需要的全部要素：编程环境、量子计算机操作系统、用户界面等等。由这一层构成的算法可以是纯量子形式，也可以是经典计算加量子计算的混合体。应用层应该独立于其下各层中使用的硬件类型之外。

Cake分层大蛋糕: 实用型量子计算机的全部组件可以分为五个部分，每一部分负责执行不同类型的处理任务。

应用层下方的是经典处理层，其具备三项基本功能。首先，它负责优化当前运行中的量子算法，将算法编译为微指令。整个过程与传统计算机中的CPU执行方式类似，CPU需要将每条待执行的机器代码指令编译为多条微指令。另外，该层还将处理以下各层内硬件返回的量子态测量结果，将这些结果反馈至经典算法中以产生最终结果。最后，经典处理层还负责为以下各层提供必要的校准与调整。

（编辑：我爱故事小小网_铜陵站长网）

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