当被问及在谷歌工作最喜欢什么时，物理学家约翰·马丁尼斯并没有提到走廊里著名的按摩椅，也没有提到位于加利福尼亚州山景城公司园区内几乎随处可见的免费零食。相反，他惊叹于谷歌对追求远大目标失败的容忍度。“如果他们尝试的每个项目都成功了，”他说，“他们会认为自己不够努力。”
马丁尼斯认为他将需要那种耐心。9月，谷歌从加州大学圣巴巴拉分校招募了他和他20名成员的研究团队，并让他们着手构建量子计算机这一出了名的艰巨任务：利用量子世界的古怪特性进行计算的设备，这些计算是普通计算机在宇宙的生命周期内都无法完成的。
自20世纪80年代初提出这一愿景以来，它一直让马丁尼斯和许多其他物理学家感到沮丧。实际上，这种计算机必不可少的量子效应非常脆弱且难以控制：如果一个来自外部的杂散光子或振动以错误的方式击中设备，计算就会崩溃。即使在经过三十年的努力之后，世界上最好的量子计算机也只能勉强解决学校级别的问题，例如找到数字 21 的质因数。（答案：3 和 7。）
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结果是进展速度如此缓慢，以至于怀疑论者经常将量子计算比作核聚变能源：它是一种革命性的技术，但似乎总是遥遥无期。
但也许并非如此。该领域的许多物理学家认为，他们30年的努力可能终于要获得回报。他们不仅现在可以生成持续数分钟而不是纳秒的量子比特（或“qubits”），而且在纠正由外部扰动和其他原因引起的错误时也做得更好。与此同时，量子软件工程师正在提出可以证明开发这些机器的费用是合理的应用程序，例如为工业流程寻找新的催化剂。
有用且有利可图的量子计算机的前景足以吸引谷歌、IBM 和微软等公司加入这场游戏。一些学术团体也在推动这项技术朝着实用的方向发展。例如，在荷兰代尔夫特理工大学，政府支持的 QuTech 中心正在将研究人员与荷兰高科技产业聚集在一起。代尔夫特物理学家罗纳德·汉森说，他将在五年内制造出通用量子计算机的构建模块，并在十多年一点的时间内制造出一台功能齐全（如果笨重且效率低下）的演示机器。
马丁尼斯说他没有固定的时间表，但也同样乐观。“我们在过去几年中让很多事情运转起来了，”他说。“自然界仍然有可能不允许它工作，但我认为我们有相当大的机会。”
七十年代的产物
量子计算的概念基础是在 20 世纪 70 年代和 80 年代早期奠定的——最著名的是已故的美国物理学家理查德·费曼，他在 1982 年发表的关于该主题的演讲被广泛认为是该领域的开端。基本的见解是，传统计算机是“非此即彼”的机器，这意味着编码给定信息位的微小硅电路就像一个开关，要么打开要么关闭。这意味着它可以表示诸如“真”或“假”之类的选择，或者二进制算术的 1 和 0。但是在量子领域，“非此即彼”让位于“两者兼有”：如果二进制 1 用例如顺时针旋转的电子表示，而 0 用逆时针旋转的电子表示，那么控制这些粒子的亚原子定律使得给定的量子比特可以同时为 1 和 0。
通过扩展，构成量子计算机内存的量子比特集可以同时存在于 1 和 0 的每种可能的组合中。经典计算机必须依次尝试每种组合，而量子计算机可以同时处理所有这些组合——实际上，并行地对每组可能的输入数据执行计算。并且由于组合的数量随着内存大小呈指数增长，因此量子计算机有可能比其经典计算机快指数级。
1994 年，当美国数学家彼得·秀尔开发出一种算法，该算法将允许量子计算机非常快速地分解大数时，这种见解变得不仅仅是一种科学的好奇心。对于标准计算机来说，这种因式分解非常耗时，这就是为什么它构成了广泛使用的加密技术的基础。秀尔的算法意味着原则上，量子计算机可以破解该加密技术。
然后在两年后，新泽西州默里山贝尔实验室的研究员洛夫·格罗弗设计了另一种算法，该算法展示了量子计算机如何能够从根本上加速对海量数据库的搜索。
如此明显重要的应用的演示迅速吸引了研究人员和资金——伴随着关于工作量子计算机将在几年内准备就绪的说法。“但事后看来，他们太天真了，”汉森说。研究人员已经能够通过设计专门用于解决特定问题的专用量子设备来取得一些进展（参见 Nature 491, 322–324; 2012 和 Nature 498, 286–288; 2013）。但是，实现最终目标——通用、数字量子计算机，它可以编程来执行任何算法——已被证明要困难得多。
问题是量子效应的极端脆弱性：来自外部世界的任何轻微影响都会导致量子比特崩溃，从而使其不再同时代表多种不同的状态。如果量子比特要在现实世界的计算中发挥作用，则必须将其保持在最严格的隔离状态并小心操作——极其困难的任务。它们还需要在量子态中保持的时间比执行计算步骤所需的时间长得多——通常约为微秒或更长时间。
为了实现这些目标，物理学家正在采取双重策略：延长量子比特的寿命并减少它们出错的频率，以及设计可以纠正确实发生的任何错误的算法。
许多研究人员目前青睐的量子比特设计是基于由超导体（在极低温度下失去所有电阻的材料）制成的微芯片级电路。由于称为约瑟夫森效应的量子现象，在这些电路中的微小环路周围流动的电流可以同时顺时针和逆时针方向环绕，因此非常适合表示量子比特。马丁尼斯说，这种电路很难实现。“你必须花费多年时间来弄清楚所有的物理原理。” 但是，在花费十年时间改进设计并学习如何将电路与环境隔离后，他的团队和其他团队已将量子比特寿命提高了 10,000 倍，这意味着它们现在可以定期将其状态保持约 50 到 100 微秒。他们还通过找到更好的方法来操纵和控制计算过程中的量子比特，从而大幅降低了错误发生的频率。
对于基于电子或原子核自旋的量子比特，寿命一直更难提高，因为这些自旋很容易被相邻粒子的磁场翻转。然而，在 10 月，澳大利亚悉尼新南威尔士大学的物理学家 Andrea Morello 和 Andrew Dzurak 宣布，他们通过将自旋量子比特嵌入不含该元素磁性同位素的纯化硅中，消除了这种干扰。由此产生的量子比特寿命长达 30 秒。
1997 年，加州理工学院帕萨迪纳分校的物理学家阿列克谢·基塔耶夫提出了一种更为激进的方法：用任意子制造量子比特，任意子是从许多粒子的集体特性中产生的物质状态，但表现得像一个粒子。一些任意子具有另一个特殊属性：它们的量子态揭示了它们最近相互作用的历史。基塔耶夫认为，如果将这些任意子用作量子比特，则它们的相互作用顺序可以编码信息。并且由于这种编码有效地分布在整个系统中，因此量子比特将对任何单个部分中产生的错误具有天然的保护作用。
这些被称为“拓扑量子比特”的实体仍然是理论上的，但这个想法显示出足够的希望，以至于微软和许多其他公司正在投资努力在实验室中创建它们。
然而，即使使用最强大的量子比特，错误也是不可避免的。在普通计算机中也是如此，但错误在量子计算机中尤其麻烦，因为它们会随着量子比特的数量呈指数增长。“最终构建量子计算机的真正诀窍之一是找到一种绕过它的方法，”加拿大滑铁卢大学的实验量子物理学家戴维·科里说。
这意味着实施某种形式的量子纠错。在标准计算机中，纠正错误可以像从每个比特的多个副本开始一样简单。对副本进行多数表决可以揭示其中任何一个副本是否后来从 1 翻转为 0，反之亦然。这在量子世界中行不通，因为不可能在不破坏其量子态的情况下复制量子比特。但是量子比特可以进行比较，因此理论家们试图设计纠错方案，询问各个量子比特对它们的值是相同还是不同，然后使用答案来推断单个量子比特是否出错。
直到最近，一个大问题是量子比特通常每十个计算步骤就会出现大约一个错误，而可用的纠错方案根本无法跟上。“理论家们说我们需要平均错误率达到，比如说，每 100,000 次操作出现 1 次错误，”伦敦大学学院的实验物理学家约翰·莫顿说。然而，在今年 4 月，马丁尼斯和他的团队宣布，他们已经演示了一种“表面代码”方案，该方案将量子比特的量子信息分散在几个物理量子比特中，类似于基塔耶夫为拓扑量子比特提出的方案。在其出版物中，该小组描述了他们如何使用这项技术以可以处理高达每 100 次操作 1 次错误率的方式实现了 5 个量子比特的信息——他们和其他人现在能够达到的速率。
勇往直前
莫顿说，量子比特错误率的提高以及代码应对错误的能力共同彻底改变了该领域的前景。“现在令人兴奋的是我们可以专注于扩大规模，”他说。
在 QuTech 中心，汉森表示同意。“没有剩下任何根本性的障碍，”他说。他现在正在招聘 5 名电气工程学教授职位，并寻找 40 名技术人员和研究人员，以便他可以将规模从实验室实验扩大到实用技术。他们的主要任务将是弄清楚如何制造大规模量子比特阵列，如何控制量子计算并读取结果，以及如何将量子电路连接到位于同一芯片上的经典电子设备。
汉森和他的同事列文·范德西彭（他领导代尔夫特大学开发嵌入在称为量子点的微小半导体晶体中的自旋量子比特的工作）都计划在未来 5 年内构建 17 个量子比特的阵列。他们说，这是证明表面代码方案按预期工作所需的最小值。要创建一个在运行真实算法所需的数小时内保持正确的单个虚拟量子比特，可能意味着将其信息分散在 100 个物理量子比特上。每个额外的量子比特都会增加硬件的复杂性。但是，一旦一个团队掌握了创建几十个物理量子比特的诀窍，他们相信，扩展到制造少量虚拟量子比特所需的 100 个量子比特应该容易得多。“然后就是雄心勃勃的工程，要达到 100 个或 1,000 个。我希望在 10 年内我们将讨论数百个量子比特，”范德西彭说。
然而，在瑞士联邦理工学院苏黎世分校，理论物理学家马蒂亚斯·特罗耶警告说，实现数百个量子比特的目标既不容易也不便宜。特罗耶假设量子芯片至少与半导体芯片一样难以制造，他估计，弄清楚如何批量连接、操纵和制造量子比特将是一个价值 100 亿美元的问题。他说，这提出了一个关键问题。“为什么要这样做呢？”
特罗耶在过去三年中一直在寻找答案——一种量子计算的“杀手级应用”，这将使开发成本物有所值。特罗耶说，代码破解和搜索数据库这两个经典示例还不够好。他说，秀尔的算法将需要数千个量子比特才能进行任何认真的因式分解，并且还有其他形式的加密，量子计算机对此无能为力。尽管量子计算机可以更快地搜索数据库，但它们仍然受到将数据输入电路所需时间的限制，而这不会改变。
特罗耶认为，在不久的将来，一个更有成效的应用是对材料和分子中的电子进行建模——这很快就会变得对于当今的超级计算机来说太困难了。起初，这似乎也是一个遥不可及的目标。他早期的估计表明，量子计算机需要长达 300 年的时间才能模拟即使是小分子（例如植物固氮作用中涉及的铁氧还蛋白中的硫化铁）的分子动力学。“显然，这有点像科幻小说，”他说。但是通过重写软件，他将这个数字降至 30 年——然后降至仅 300 秒。“就像在经典计算中，人们必须坐下来优化算法一样，”他说，“量子算法也需要这样做。”
特罗耶说，拥有大约 400 个编码量子比特，就有可能分析改进工业固氮作用的方法——这是一种能源密集型工艺，可将空气中无反应分子转化为肥料。这种反应现在正在工业规模上使用 116 年历史的哈伯法进行，但这消耗了全球每年约 5% 的天然气产量。特罗耶认为，量子计算机可以帮助设计一种催化剂，这种催化剂将比目前的催化剂节能得多。“这将值得为此构建一台量子计算机，”他说。
其他杀手级应用可能是寻找新的高温超导体，或改进用于从空气或工业废气流中捕获碳的催化剂。“所有这些都是重要的问题。如果它在这些方面取得进展，那么很容易就值 100 亿美元，”特罗耶说。
然而，就目前而言，马丁尼斯和该领域的其他资深人士警告说，量子计算仍处于早期阶段。尽管工业界现在已深入研究，但甚至没有人拥有这些东西可以玩。他说，今天的量子计算堪比二战后几年的传统计算，当时每台设备都是手工制作的实验室实验。“我们介于晶体管的发明和集成电路的发明之间，”他总结道。马丁尼斯说，在谷歌，该项目具有硅谷初创公司的活力，尽管有雄厚的资金支持。经过多年完善量子比特的辛勤工作，他很高兴最终能够专注于构建一台真正可以解决实际问题的量子计算机。“谷歌为从事硬件工作的科学家创造了一个新名称‘量子工程师’，”马丁尼斯说。“这对我来说是一份梦想的工作。”
本文经许可转载，首次发表于 2014 年 12 月 3 日。