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)洛杉磯辦公室外，這位53歲的計算機科學(xué)家向記者介紹了量子力學(xué)（原子和粒子物理學(xué)）如何支持所謂的多元宇宙論。奈文指著(zhù)擺放在他與記者之間的錄音設備稱(chēng)：“我們所看到的只是該設備的一個(gè)經(jīng)典形態(tài)，但在我們目前無(wú)法感知的某個(gè)地方，該設備還以其他的形態(tài)存在。”據奈文稱(chēng)，這不僅適用于錄音設備，而是適用于所有實(shí)體物件。他表示，即使像人類(lèi)這樣的系統，在平行宇宙中也存在人類(lèi)所有個(gè)體的一個(gè)不同形態(tài)。

操著(zhù)濃重德國口音、喜歡穿粉色克里斯提·魯布托(Christian Louboutin)牌鉚釘鞋的奈文主導了谷歌一些最具開(kāi)創(chuàng )性的項目，包括圖像識別軟件和谷歌眼鏡等。盡管沒(méi)有在消費市場(chǎng)上取得成功，但谷歌眼鏡開(kāi)創(chuàng )了頭戴式計算機的先河。奈文面前的任務(wù)可謂他職業(yè)生涯中最復雜的任務(wù)：根據量子力學(xué)的奇特法則建造一款計算機。

什么是量子力學(xué)？

目前還沒(méi)有關(guān)于量子力學(xué)的簡(jiǎn)短解釋?zhuān)禖liffs Notes》上的解釋是這么說(shuō)的：科學(xué)家已經(jīng)證明原子可同時(shí)以?xún)煞N狀態(tài)存在，這種現象叫做態(tài)疊加。舉例而言，單個(gè)原子可以同時(shí)出現在兩個(gè)位置。

態(tài)疊加效應隨著(zhù)尺度的放大會(huì )變得更加不可思議。由于一切物體都是由原子組成的，一些物理學(xué)家推測，所有物體都能以多維形式存在，就像奈文說(shuō)的，存在平行宇宙的可能。

即使愛(ài)因斯坦也無(wú)法理解這些。這位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者說(shuō)，支撐量子力學(xué)的概念從根本上存在缺陷。而在他之后，科學(xué)家已經(jīng)反復并且確鑿地證明了這一理論。

在谷歌位于加州圣巴巴拉的實(shí)驗室里，該公司嬌貴的量子芯片被凍存于懸空的低溫恒溫器里

這些原理是下一場(chǎng)計算革命的依據。在加州圣巴巴拉郊外一個(gè)堆滿(mǎn)沖浪板、潛水服和原聲吉他的小實(shí)驗室里，奈文與20多位谷歌物理學(xué)家和工程師正在利用量子力學(xué)原理建造一臺可能有驚人力量的計算機。一臺可以信賴(lài)的大型量子計算機可能顛覆從人工智能到化學(xué)的很多行業(yè)，加快機器學(xué)習以及新材料、化學(xué)品和藥物的研制。

“如果研發(fā)成功，量子計算機將會(huì )改變整個(gè)世界，改變事物的運作方式。”物理學(xué)家、硅谷風(fēng)險投資公司安德森·霍洛維茨基金(Andreessen Horowitz)合伙人、維賈伊·潘德(Vijay Pande)說(shuō)。其公司投資了量子計算初創(chuàng )公司Rigetti Computing。

其他一些人，尤其是學(xué)者，所持的觀(guān)點(diǎn)則有所出入。

得克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿倫森(Scott Aaronson)表示，“量子計算機不僅僅是我們所熟悉的那種計算機的更快速版本。它是一種從根本上全新的利用自然進(jìn)行運算的方式。人們會(huì )問(wèn)，‘它要快上一千倍嗎？還是要快上百萬(wàn)倍？’這完全取決于如何應用。它有可能在短短一分鐘內解決我們用經(jīng)典方法永遠也解決不了的問(wèn)題。而在其它類(lèi)型的測試中，量子計算機給你帶來(lái)的助益甚微，或者完全幫不上忙。”

量子計算機時(shí)代何時(shí)到來(lái)？

近30年來(lái)，這些機器一直被認為僅屬于科幻范疇。在現實(shí)中，可靠、且能大規模投入使用的量子計算機何時(shí)才能出現？就在幾年前，各界的普遍預測是20年后，甚至永遠不會(huì )出現。

Isara Corp.公司CEO斯科特·托茨克(Scott Totzke)說(shuō)，“現在沒(méi)人再說(shuō)量子計算機永遠都不會(huì )到來(lái)了。我們仍處在非常，非常早期的發(fā)展階段，但這早已不是科幻了。”Isara Corp.是一家在研發(fā)量子計算機安全加密方案的加拿大公司。

全球企業(yè)和大學(xué)正競相打造這類(lèi)計算機，Alphabet Inc.的子公司谷歌似乎走在了前沿。明年年初，谷歌的量子計算機將面臨決定性考驗，它將解決一道一臺傳統計算機需要花費數十億年才能解開(kāi)的難題。如若成功，將意味著(zhù)“量子霸權”的建立，這是量子計算機以往無(wú)法跨過(guò)的一道門(mén)檻。計算機科學(xué)家稱(chēng)，這將是一個(gè)里程碑，標志著(zhù)計算機新時(shí)代的到來(lái)，以及所謂的“古典時(shí)代”的終結。

谷歌的這些64平方毫米芯片是是全球目前最先進(jìn)的通用量子計算機

量子計算機的原理

經(jīng)典計算機，比如你的筆記本電腦或者手機，以比特(bit)為單位存儲和處理信息。每比特的值要么是1，要么是0。比特可用被稱(chēng)作晶體管的微型電路來(lái)表示。對于你的iPhone來(lái)說(shuō)，指尖的每一次觸控，鏡頭下的每一次自拍，都只不過(guò)是由“1”和“0”組成的一個(gè)長(cháng)序列。

量子比特(qubit)利用疊加同時(shí)以?xún)煞N狀態(tài)存在——實(shí)際是就是同時(shí)以1和0存在。在經(jīng)典計算機中，比特就像是硬幣，要么顯示正面要么顯示背面。而量子比特則像是被拋在空中的、不斷旋轉的硬幣，同時(shí)顯示正反面。

這種動(dòng)態(tài)讓量子比特能夠較經(jīng)典比特編碼和處理多得多的信息，以至于計算機科學(xué)家稱(chēng)，時(shí)下性能最強大的筆記本電腦在量子計算機面前就像是算盤(pán)。理論上，一個(gè)占據數個(gè)城市街區的數據中心的計算能力，一個(gè)句點(diǎn)般大小的量子芯片就能實(shí)現。

那種潛力是指數式增長(cháng)的結果。增加一個(gè)比特，對于經(jīng)典芯片的計算能力的提升微不足道，但增加一個(gè)量子比特，則可讓量子芯片的計算能力翻一倍。300個(gè)比特的經(jīng)典芯片大概可以驅動(dòng)一個(gè)基本功能的計算器。但300個(gè)量子比特的芯片，其計算能力則達到驚人的2乘以10的90次方比特——那是一個(gè)超過(guò)宇宙原子總數量的數字。

量子計算機vs.經(jīng)典計算機

經(jīng)典計算機采用比特這一信息量單位，用“1”或“0”來(lái)記錄所有的信息狀態(tài)。而量子計算機使用量子比特，這種單位能夠同時(shí)是“1”和“0”。

這讓量子比特在特定任務(wù)中能夠處理比比特多得多的信息——尤其是在多任務(wù)結合的時(shí)候。每增加一個(gè)量子比特，量子計算機的運算能力就能翻一番，這種指數式增長(cháng)可催生強大得多的規?；瘷C器。

制圖：Todd Detwiler

但這種對比僅適用于特定的運算任務(wù)。拿比特和量子比特比較不是易事，因為量子計算機和經(jīng)典計算機是截然不同的兩種機器。不同于經(jīng)典計算機，量子計算機不會(huì )對一個(gè)問(wèn)題的所有潛在解決方案進(jìn)行測試。相反，它們利用算法來(lái)剔除導向錯誤答案的路徑，僅留下導向正確答案的路徑——那些算法僅適用于解決特定的問(wèn)題。這使得量子計算機不適用于進(jìn)行日常上網(wǎng)等用途，因此別指望會(huì )出現量子iPhone。但它們能夠做的是，解決特定復雜到難以想象的問(wèn)題，如合成新分子來(lái)設計更加輕盈的飛機部件、更加有效的藥物和更好的電池。

量子計算機也存在錯誤率高的問(wèn)題，因此部分科學(xué)家和數學(xué)家質(zhì)疑它們的可靠性。谷歌和其它的公司稱(chēng)該問(wèn)題可通過(guò)糾正錯誤的算法來(lái)解決，但那些算法需要更多的量子比特來(lái)檢查進(jìn)行運算的量子比特的工作。有的專(zhuān)家估計，檢查單個(gè)量子比特的工作將需要額外增加100個(gè)量子比特。

有點(diǎn)懵？不只有你一個(gè)人如此。微軟聯(lián)合創(chuàng )始人比爾·蓋茨最近接受《華爾街日報》旗下雜志“WSJ. Magazine”采訪(fǎng)時(shí)稱(chēng)，公司的人給他展示幻燈片時(shí)，量子計算項目是他真正沒(méi)搞懂的部分。

曾獲得諾貝爾獎的理論物理學(xué)家理查德·費曼(Richard Feynman)說(shuō)，“我想，可以說(shuō)幾乎沒(méi)有人能夠理解量子力學(xué)。”

費曼是最早提出量子計算機概念的人之一。1981年，他在一次演講中說(shuō)，模擬物理學(xué)將需要基于自然或者量子力學(xué)的計算機。“糟糕的是，自然并不經(jīng)典，”他說(shuō)道，“如果想要模擬自然，那你最好利用量子力學(xué)。”

量子計算機研發(fā)難在哪兒？

在之后的20年里，研究人員嘗試打造費曼所設想的那種機器，但沒(méi)有取得成功。量子比特被證明非常脆弱、多變。它們只能夠將疊加狀態(tài)維持幾納秒，即十億分之幾秒。而只有在疊加狀態(tài)下，它們才擁有大規模運算能力。近乎感覺(jué)不到的細微溫度變化，甚至空氣的單個(gè)分子，都有可能讓它們脫離那種狀態(tài)。

“這有點(diǎn)像是試圖讓雞蛋在針尖上保持平衡，”IBM量子計算機科學(xué)家杰瑞·周(Jerry Chow)在演講中說(shuō)，“你肯定能夠做到，但一旦噪聲、熱量或者震動(dòng)帶來(lái)哪怕一丁點(diǎn)的干擾，也會(huì )讓它搞砸。”

在過(guò)去的五年間，科學(xué)家們在量子計算機所需的平衡技術(shù)上取得了巨大的進(jìn)步。資本隨之大量涌入，谷歌、微軟、IBM、英特爾等公司都在進(jìn)行相關(guān)項目，來(lái)自潛在客戶(hù)的興趣也應聲增加。

大眾汽車(chē)正在測試由加拿大公司D-Wave Systems Inc.生產(chǎn)的量子計算機。這兩家公司3月份表示，他們利用北京1萬(wàn)輛出租車(chē)上的GPS數據編制了一套算法，能夠計算出抵達機場(chǎng)最快、交通最順暢的路線(xiàn)。D-Wave稱(chēng)，一臺傳統計算機需要花費45分鐘才能完成這項任務(wù)，但其量子計算機只需遠不到1秒。

這樣看來(lái)D-Wave似乎已經(jīng)勝出，但該公司售價(jià)1,500萬(wàn)美元的2000Q型量子計算機只適用于范圍很窄的數據分析，包括前面提到的大眾汽車(chē)的測試。盡管2000Q擁有2,000個(gè)量子比特（科學(xué)家警告說(shuō)，這個(gè)數字不應拿來(lái)與通用量子計算機作比較，比如谷歌的量子計算機），但還沒(méi)有達到量子霸權的地步。D-Wave總裁Bo Ewal表示，設計2000Q的初衷并不是用它來(lái)找到最優(yōu)方案，而是在短期內找到一個(gè)足夠好的方案。

擁有超能力的雙刃劍

并非所有人都熱切期盼精確的巨型量子計算機的到來(lái)。從信用卡交易到即時(shí)信息等一切事物的加密都是由一種因數分解的算法（即反向乘法）完成的。一個(gè)非常龐大的數字（比如長(cháng)度達到幾百位的數字）可以作為加密數據的鎖，而這個(gè)數字的兩個(gè)質(zhì)因數則是鑰匙。所謂的公鑰加密被用來(lái)保護健康檔案、在線(xiàn)交易和大量其他敏感數據，因為一臺傳統計算機要想找到這兩個(gè)質(zhì)數將花費數年的時(shí)間。但在理論上，量子計算機幾乎可做到“立等可取”。

企業(yè)和政府正在忙著(zhù)為一些人口中的量子元年(Y2Q)做準備。在量子元年，一部精確的大型量子計算機將問(wèn)世，一些專(zhuān)家預計那將是在2026年前后。屆時(shí)，人類(lèi)守護最嚴密的數字秘密可能變得不堪一擊。

去年，美國國家安全局(NSA)發(fā)布命令，要求美國國家安全職員和供應商必須要在“不遠的將來(lái)”改造他們的加密系統，以防范量子計算機帶來(lái)的威脅。由于國家安全信息必須要被保護數十年，該機構稱(chēng)新加密系統必須要在這些機器到來(lái)之前落實(shí)到位。該機構警告稱(chēng)，不然，可破譯密碼的量子計算機會(huì )對國家安全產(chǎn)生“毀滅性的影響”。

政府不僅僅在打防御戰。據《華盛頓郵報》報道，前NSA雇員斯諾登2013年泄露的文件顯示，作為8,000萬(wàn)美元的研究項目“攻堅”(Penetrating Hard Targets)的一部分，NSA正在開(kāi)發(fā)自有的量子計算機。目前還不清楚NSA取得了多大的進(jìn)展。該機構拒絕置評。

量子計算機競賽的主要推動(dòng)力是其顛覆整個(gè)行業(yè)的潛力。專(zhuān)家們認為，量子計算機近期最大的希望是為機器學(xué)習、人工智能以及相關(guān)行業(yè)注入超能力。機器學(xué)習和人工智能是當前迅速發(fā)展的兩個(gè)領(lǐng)域。谷歌的奈文稱(chēng)，他預計10年內所有的機器學(xué)習都將在量子計算機上進(jìn)行。

今年早些時(shí)候，這場(chǎng)商業(yè)競賽急劇升溫。5月，IBM發(fā)布一款16個(gè)量子比特的芯片，這對通用型量子計算機來(lái)說(shuō)具有里程碑的意義。之前一天，一個(gè)行業(yè)組織發(fā)表了對谷歌量子硬件主管約翰·馬丁尼斯(John Martinis)的采訪(fǎng)。馬丁尼斯在采訪(fǎng)中不小心透露了谷歌有一款22個(gè)量子比特的芯片。

顯微鏡下拍攝的谷歌64平方毫米芯片圖中，可以看到該公司巧妙的品牌宣傳：該公司的名稱(chēng)Google出現在底部

走進(jìn)谷歌量子計算機實(shí)驗室

目前，谷歌的芯片被冷凍存放于該公司圣巴巴拉實(shí)驗室內一個(gè)被稱(chēng)作低溫恒溫器的精制大桶里。該看似閑適的實(shí)驗室位于洛杉磯，是奈文領(lǐng)帶的量子項目的基地。里面有乒乓球桌和各式各樣的手鼓，整個(gè)空間感覺(jué)就像是附近加州大學(xué)圣巴巴拉分校校園的一部分。辦公室負責人馬丁尼斯是該大學(xué)的物理學(xué)教授，他的很多雇員都是研究生。

最近的一個(gè)下午，兩位剛從加州大學(xué)圣巴巴拉分校獲得博士學(xué)位工程師丹尼爾·贊克(Daniel Sank)和阿米特·溫森徹(Amit Vainsencher)帶我去看位于該實(shí)驗室一個(gè)角落的閃閃發(fā)光的低溫恒溫器。他們梳著(zhù)卷發(fā)馬尾鞭，模樣甚是休閑。由于受到再輕微的干擾，微粒也會(huì )脫離疊加狀態(tài)，量子計算機必須要與外部世界完全隔絕開(kāi)來(lái)。該低溫恒溫器的高導磁合金外殼可阻隔地球的磁場(chǎng)，它上面貼著(zhù)一條保險杠貼紙，寫(xiě)著(zhù)：“我的另一臺計算機是經(jīng)典型的。”

一個(gè)表面布滿(mǎn)霜的容器被置于低溫恒溫器附近，容器中的壓縮氦和液態(tài)氮可將恒溫器內部的溫度保持在-459.6華氏度（-237.5攝氏度），該溫度僅比最低的絕對零度高一點(diǎn)，這給谷歌的量子比特進(jìn)行運算創(chuàng )造了所需的超導條件。“如果你晃動(dòng)這個(gè)架子，你可以看到溫度計的讀數上升。”溫森徹說(shuō)，隨后搖了搖將低溫恒溫器懸在空中來(lái)限制震動(dòng)干擾的支架。他接著(zhù)說(shuō)，“我或許不該這么做。”

該裝置如此錯綜復雜、昂貴，這意味著(zhù)谷歌和它的同行很可能將在云端出售量子計算，可能會(huì )按秒計費。

目前，奈文和他的團隊在南加州緊鑼密鼓地完成49個(gè)量子比特的芯片。他們希望該芯片將開(kāi)啟量子霸權以及一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域里，計算機利用的是復雜到無(wú)法想象的自然法則，而不是將世界轉變成“1”和“0”。

奈文說(shuō)，“這臺計算機里面沒(méi)有晶體管。它是一個(gè)全然不同的猛獸，是多元宇宙的原住民。”