“我从出生起就一直在做好斗的事情，”吉奥迪·罗斯说道，他向后靠在加拿大伯纳比自己狭小、没有窗户的办公室的椅子上，描述了他如何一生都在为难自己。在他 20 岁出头之前，这意味着痴迷于摔跤——他声称这项运动付出最多的努力却得到最少的回报。罗斯说，最近，现在 41 岁的他，“D-Wave 就像是一个缩影：难以忍受的痛苦和极少的认可”。
对于 D-Wave 来说，缺乏认可的问题正在迅速消失，D-Wave 是世界上第一家也是迄今为止唯一一家制造量子计算机的公司。在最初的研究界的不信任和嘲笑之后，罗斯和他的公司现在正被更认真地对待——尤其是航空航天巨头洛克希德·马丁公司，该公司在 2011 年购买了 D-Wave 的一台计算机，价格约为 1000 万美元，以及互联网巨头谷歌，该公司在 5 月份也收购了一台。
但痛苦是真实的——批评者会说，其中大部分是罗斯自己造成的。2007 年，他的公司在加利福尼亚州山景城的计算机历史博物馆举行了一场炫耀的公开演示，宣布了他们的第一台工作计算机。按照目前量子计算的标准——理论上可以大幅提升计算能力——该设备的性能令人震惊。这是一个原型机，正在数据库中搜索与给定药物相似的分子，并解决数独谜题，而使用标准量子方法构建的最好机器最多只能将数字 21 分解为它的因子。
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怀疑论者对介绍中“新闻发布会式科学”的语气感到不满，并怀疑 D-Wave 设备是否只是伪装成量子计算机的经典计算机。“这家来自加拿大的公司突然冒出来，宣布他们拥有量子芯片，”科林·威廉姆斯说，他在 1999 年出版了第一本关于量子计算的教科书，并于去年加入 D-Wave 担任业务发展总监。“学术界认为他们一定是疯了。”
今天，随着更多关于 D-Wave 技术的细节的发布，这些批评在某种程度上已经平息。但它们已被更微妙的问题所取代：即使 D-Wave 计算机正在利用量子能力，它真的比传统计算机更快或更好吗？它最终会破解目前计算机需要数十年甚至更长时间才能解决的问题吗？或者它的能力会遇到瓶颈吗？
通用愿景
当罗斯在 1999 年创立 D-Wave 时，他拥有工程学位，在温哥华不列颠哥伦比亚大学攻读理论物理学博士学位几年——并且不知道如何制造量子计算机。他确实从他在加拿大最著名的技术风险投资家之一海格·法里斯的创业课上获得了灵感。罗斯说，商业“对我来说比物理或数学更难。没有让人们做你想做的事情的处方。”
威廉姆斯当时的新教科书帮助罗斯相信量子计算将成为新企业的合适目标。法里斯开出的一张 4,059.50 加元（3,991 美元）的支票让他买了一台笔记本电脑和打印机来制作商业计划书。到 2000 年代初期，D-Wave 吸引了数百万美元的资金，罗斯将其投资于 15 个不同的研究小组，以寻找要追求的最佳技术。“我像一个传道者一样，宣传量子计算机的愿景，”他说。
该愿景的核心是量子计算承诺通过大幅减少寻找答案所需的时间来解决其他棘手的问题。典型的例子是因式分解：就像将 21 分解为 3 × 7 一样，但数字是数百位长。这是广泛用于保护数字数据的加密算法的基础。加密安全性的基础是传统计算机必须依次查看每个可能的因子——随着数字变大，这个过程呈指数级增长。
瓶颈的出现是因为传统计算机以非此即彼的方式存储和处理信息，使用“比特”，每个比特只能存在于两种状态之一，表示为 1 或 0。在大多数现代计算机芯片中，每个比特都由电荷的存在或不存在来表示。相比之下，量子计算机通过使用“量子比特”来利用量子力学的模糊世界，量子比特可以同时存在于 1 和 0 两种状态。原则上，它们可以同时探索不同的解决方案——将多年的计算缩短到几秒钟。
当罗斯开始寻找合适的构建量子计算机的技术时，研究人员已经开始使用许多物理系统制造量子比特，包括以偏振方向编码零和一的光子，以及以电子态编码它们的离子。他们还在研究如何组合和操纵这些量子比特携带的量子信息，这与晶体管逻辑门操纵传统计算机中比特的流动方式非常相似。目标是生产“通用”量子计算机，它可以执行任何可以想象到的计算，就像现代经典机器一样。
但是，这种模型带来了一些巨大的工程挑战——首先是量子比特极易受到外界干扰。它们就像岌岌可危地平衡在其尖端的铅笔：最轻微的扰动都可能使它们失去平衡，从而导致计算错误。如果每个量子比特的准确率为 99%，则涉及 10 个量子比特的操作只会产生 90% 的正确答案，而涉及 100 个量子比特的操作只会产生大约 36% 的正确答案。然而，实际应用可能需要数千甚至数百万个量子比特。
为了弥补这一点，开发人员不遗余力地屏蔽量子比特免受噪声干扰，并设计出巧妙的纠错方案。但桑迪亚国家实验室（位于新墨西哥州阿尔伯克基）从事量子计算的安德鲁·兰达尔说，无论过去还是现在，“如果你看看你需要的冗余和保真度，那是非常苛刻的”。就像火箭需要大量燃料才能举起少量有效载荷一样，门模型量子计算机可能需要数十亿个纠错量子比特才能获得 1,000 个功能量子比特来做一些有用的事情。
到 2003 年，罗斯确信这种模型“只是一个非常非常糟糕的想法”，他说。因此，他将注意力转向了当时的研究荒地：绝热量子计算。这种技术最适合优化问题——在这种问题中，必须同时找到许多标准的最佳可能结果。例如，尝试安排婚礼的座位，其中一些客人是最好的朋友，另一些客人是死敌；或者找到蛋白质折叠的最具能量稳定性的方式，其中各种氨基酸相互吸引或排斥。
所有可能的解决方案都可以想象成一个山脉，其中较高的海拔高度对应于违反大多数标准的配置——敌人坐在敌人旁边，可以这么说——而最低点对应于满足大多数或所有标准的解决方案。诀窍是找到那些低点。传统的绝热计算机可以通过相当于在山隘上气喘吁吁地行走来做到这一点，系统地寻找凹陷处。但是量子绝热计算机进行快速的全局搜索。它从类似于将水倾倒在平坦的景观上的模拟开始——量子比特处于零和一的完美量子叠加态——然后让山脉缓慢上升，以便水自然地汇聚在最佳解决方案中。
这种计算机的关键在于它的量子比特始终处于其最低能量状态——岌岌可危的平衡铅笔已经掉落。这使其具有巨大的优势，即相对不受外界干扰，因此在计算机拥有数千个或更多量子比特之前，几乎不需要或不需要纠错。虽然它对于分解大数（这是最初推动量子计算机研究的东西）不是很有用，但它的方法可能潜在地用于从语言翻译和语音识别到制定航天器飞行计划等应用。
2003 年，关于如何制造或编程绝热量子计算机知之甚少，也没有人投入资金和时间来构建原型。罗斯决定 D-Wave 应该尝试一下。
D-Wave 的工程师使用由铌超导环制成的量子比特，冷却到绝对零度以上 20 毫开尔文以使其保持在最低能量状态，甚至在他们确定其工作原理之前就创建了一台可用的计算机。“从一开始，游戏的名称就是制造一台功能正常的计算机，”威廉姆斯说。“然后他们可以探测它，看看它在哪里运行正常。”
从那时起，D-Wave 迅速发展壮大。该公司 2007 年的演示使用了 16 量子比特的设备。到 2011 年，洛克希德·马丁公司购买的 D-Wave One 机器拥有 128 个量子比特（参见自然474, 18; 2011）。今年的 D-Wave Two 是谷歌和包括 NASA 在内的合作者购买的型号，拥有 512 个（参见自然http://doi.org/mt2; 2013）。他们的计算机看起来像传说中的黑匣子：它是一个闪亮的黑色立方体，大约有一个桑拿房那么大。大部分空间被低温冷却系统占据；量子芯片本身只有指甲盖大小。D-Wave 的目标是每年将芯片上的量子比特数量翻一番。
充满敌意的观众
从一开始，D-Wave 就引起了很多负面情绪。“我认为说他们最初受到学术界的嘲笑并不过分，”英国布里斯托大学的物理学家杰里米·奥布莱恩说，他发明了可以分解 21 的计算机。
问题不在于绝热计算方法——它有可靠的学术历史，尽管很稀疏——而在于公司大胆的风格。大多数量子计算专家认为，罗斯和他的同事应该从冷静地发表论文来描述他们的量子比特开始，而不是发布新闻稿。麻省理工学院（位于剑桥）的计算机科学家斯科特·阿伦森是一位长期的 D-Wave 怀疑论者，他对该公司实际展示其可以做的事情仍然印象不深。“他们是营销类型的人，他们试图做出尽可能引人注目的声明，”他怒气冲冲地说。
罗斯既不否认也不为这种大胆道歉。他经常被引述说，实际上，他的方法是如何建立一家公司的。罗斯还坚称，他对公司 2007 年的新闻发布会活动没有任何遗憾——特别是考虑到它引起了谷歌的注意，谷歌在那之后不久就开始与 D-Wave 进行非正式合作。“我们做生意不是为了受欢迎，”他说。
撇开商业风格不谈，D-Wave 计算机与现有的任何东西都截然不同，甚至专家也不知道如何准确地判断它。“你做这些演示，你怎么知道它是否比分解 15 更重要？”加州大学圣巴巴拉分校的物理学家约翰·马蒂尼斯说，他领导着致力于门模型量子计算机的领先团队之一。
随着计算机的运行方式变得越来越清晰，一些怀疑正在减轻。2011 年，D-Wave 发布了证据，证明其 8 量子比特芯片中存在量子行为。在该公司之外，在这个问题上花费最多时间的小组是南加州大学量子计算中心，该中心是在洛克希德·马丁公司购买其 D-Wave 计算机时与该公司合作成立的。今年 4 月，一个团队（包括该中心的科学主任丹尼尔·利达尔）发布了结果，似乎证实了 128 量子比特的 D-Wave One 在量子层面工作——尽管在模糊的量子世界中，没有什么事情是确定的，并且这些结果受到了质疑。
尽管如此，D-Wave 已经逐渐解决了其信誉问题，奥布莱恩总结道，“现在他们越来越受到重视”。
实际考虑
无论 D-Wave 计算机如何工作，实际问题是它是否可以用于解决现实世界的问题。它可以——在某种程度上。例如，在 2009 年，谷歌研究团队开发了一种 D-Wave 算法，可以学习判断照片是否显示汽车——这是一个“二元图像分类器”的示例，原则上可以用于判断医学图像是否显示肿瘤，或安全扫描是否显示炸弹。找到更好的方法来完成这类任务是人工智能的核心，也是绝热量子计算机有望擅长的领域之一。
2012 年，马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的研究人员使用 D-Wave 机器找到了具有六个氨基酸的蛋白质的最低能量折叠构型。他们没有足够的量子比特来正确编码这个问题，但即便如此，在一个其他量子计算机都无法触及的问题上，D-Wave 机器在 10,000 次运行中找到了 13 次最佳解决方案。许多其他答案也是很好的解决方案，即使不是最好的。
与此同时，洛克希德·马丁公司的研究人员开发了一种算法，该算法允许 D-Wave 机器判断一段软件代码是否没有错误——他们指出，这对于经典计算机来说是不可能的。“你永远不会知道”一段经典计算机代码是否干净，洛克希德·马丁公司位于马里兰州贝塞斯达的首席技术官雷·约翰逊说。任何人能说的只是，经过多年的测试，没有发现任何错误。“但现在你可以肯定地说，”约翰逊说。“我们对计算机扩展到解决现实世界复杂问题的能力抱有很大的希望和信心。”
D-Wave 在速度方面也与传统计算机竞争激烈，尽管直接比较很困难。今年早些时候，D-Wave 请马萨诸塞州阿默斯特学院的计算机科学家凯瑟琳·麦吉奥克对 D-Wave Two 进行测试，以满足谷歌的要求，然后这家互联网巨头才确认了这笔交易。麦吉奥克发现，在 D-Wave 旨在解决的优化类型问题中，它在半秒内得出了正确的答案，而顶级 IBM 机器则需要 30 分钟。“这是量子计算领域最令人兴奋的事情之一，”奥布莱恩说。
然而，这种优势能持续多久还远不清楚，这仅仅是因为没有好的理论来描述量子绝热计算机在更大规模上的行为。“我们绝对确定我们可以构建这种设备的下一代，但我们绝对不知道它会工作得有多好，”罗斯笑着说。自从麦吉奥克在 5 月份的会议上展示了她的结果以来，其他计算机科学家一直在尝试为经典计算机编写更快的代码。阿伦森说，速度不应被视为设备工作原理的证明。“即使这台机器确实比普通笔记本电脑更快地获得解决方案，”他说，“那么你仍然面临一个问题，那就是这是否是量子效应的结果，还是因为一个团队花费了 1 亿美元设计了一台针对这些类型问题进行优化的特殊机器。”
与此同时，工作仍在继续，以使通用门模型量子计算机的量子比特更加可靠，或更易于大规模生产。奥布莱恩承认他 4 岁的女儿分解 21 的速度比他的计算机快，但他对未来持乐观态度。“在 10 年后的今天，如果我们没有一台能够分解 1,000 位数字、涉及数百万量子比特的机器，我会感到非常失望，”他说。
但罗斯仍然是绝热教会的忠实信徒——并且确信 D-Wave 的下一代将证明它可以解决指数级更困难的问题，而无需花费指数级更多的时间。“如果明年的这个东西表现符合我们的预期，那么经典计算机将完全没有希望，”他说。罗斯甚至认为硬件问题已经解决：他说，真正的挑战将是软件。“为这东西编程非常困难，”他承认；可能需要几个月的时间才能弄清楚如何措辞一个问题，以便计算机能够理解它。但 D-Wave 有团队正在研究这个问题——包括罗斯。
罗斯预计会面临激烈的竞争。但凭借他与生俱来的战斗本能，他似乎已经准备好了。