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(jì)算機(jī)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。奈文指著擺放在他與記者之間的錄音設(shè)備稱：“我們所看到的只是該設(shè)備的一個(gè)經(jīng)典形態(tài)，但在我們目前無法感知的某個(gè)地方，該設(shè)備還以其他的形態(tài)存在。”據(jù)奈文稱，這不僅適用于錄音設(shè)備，而是適用于所有實(shí)體物件。他表示，即使像人類這樣的系統(tǒng)，在平行宇宙中也存在人類所有個(gè)體的一個(gè)不同形態(tài)。

操著濃重德國(guó)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(dǎo)了谷歌一些最具開創(chuàng)性的項(xiàng)目，包括圖像識(shí)別軟件和谷歌眼鏡等。盡管沒有在消費(fèi)市場(chǎng)上取得成功，但谷歌眼鏡開創(chuàng)了頭戴式計(jì)算機(jī)的先河。奈文面前的任務(wù)可謂他職業(yè)生涯中最復(fù)雜的任務(wù)：根據(jù)量子力學(xué)的奇特法則建造一款計(jì)算機(jī)。

什么是量子力學(xué)？

目前還沒有關(guān)于量子力學(xué)的簡(jiǎn)短解釋，但《Cliffs Notes》上的解釋是這么說的：科學(xué)家已經(jīng)證明原子可同時(shí)以兩種狀態(tài)存在，這種現(xiàn)象叫做態(tài)疊加。舉例而言，單個(gè)原子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)位置。

態(tài)疊加效應(yīng)隨著尺度的放大會(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(cè)，所有物體都能以多維形式存在，就像奈文說的，存在平行宇宙的可能。

即使愛因斯坦也無法理解這些。這位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者說，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(fù)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(yàn)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(jì)算革命的依據(jù)。在加州圣巴巴拉郊外一個(gè)堆滿沖浪板、潛水服和原聲吉他的小實(shí)驗(yàn)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(tái)可能有驚人力量的計(jì)算機(jī)。一臺(tái)可以信賴的大型量子計(jì)算機(jī)可能顛覆從人工智能到化學(xué)的很多行業(yè)，加快機(jī)器學(xué)習(xí)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(jì)算機(jī)將會(huì)改變整個(gè)世界，改變事物的運(yùn)作方式。”物理學(xué)家、硅谷風(fēng)險(xiǎn)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。其公司投資了量子計(jì)算初創(chuàng)公司Rigetti Computing。

其他一些人，尤其是學(xué)者，所持的觀點(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(jì)算機(jī)不僅僅是我們所熟悉的那種計(jì)算機(jī)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(yùn)算的方式。人們會(huì)問，‘它要快上一千倍嗎？還是要快上百萬倍？’這完全取決于如何應(yīng)用。它有可能在短短一分鐘內(nèi)解決我們用經(jīng)典方法永遠(yuǎn)也解決不了的問題。而在其它類型的測(cè)試中，量子計(jì)算機(jī)給你帶來的助益甚微，或者完全幫不上忙。”

量子計(jì)算機(jī)時(shí)代何時(shí)到來？

近30年來，這些機(jī)器一直被認(rèn)為僅屬于科幻范疇。在現(xiàn)實(shí)中，可靠、且能大規(guī)模投入使用的量子計(jì)算機(jī)何時(shí)才能出現(xiàn)？就在幾年前，各界的普遍預(yù)測(cè)是20年后，甚至永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)。

Isara Corp.公司CEO斯科特·托茨克(Scott Totzke)說，“現(xiàn)在沒人再說量子計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)都不會(huì)到來了。我們?nèi)蕴幵诜浅＃浅Ｔ缙诘陌l(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(jì)算機(jī)安全加密方案的加拿大公司。

全球企業(yè)和大學(xué)正競(jìng)相打造這類計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)將面臨決定性考驗(yàn)，它將解決一道一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)數(shù)十億年才能解開的難題。如若成功，將意味著“量子霸權(quán)”的建立，這是量子計(jì)算機(jī)以往無法跨過的一道門檻。計(jì)算機(jī)科學(xué)家稱，這將是一個(gè)里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)新時(shí)代的到來，以及所謂的“古典時(shí)代”的終結(jié)。

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(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)的原理

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

量子比特(qubit)利用疊加同時(shí)以兩種狀態(tài)存在——實(shí)際是就是同時(shí)以1和0存在。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)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(jì)算機(jī)科學(xué)家稱，時(shí)下性能最強(qiáng)大的筆記本電腦在量子計(jì)算機(jī)面前就像是算盤。理論上，一個(gè)占據(jù)數(shù)個(gè)城市街區(qū)的數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力，一個(gè)句點(diǎn)般大小的量子芯片就能實(shí)現(xiàn)。

那種潛力是指數(shù)式增長(zhǎng)的結(jié)果。增加一個(gè)比特，對(duì)于經(jīng)典芯片的計(jì)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(jì)算能力翻一倍。300個(gè)比特的經(jīng)典芯片大概可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)基本功能的計(jì)算器。但300個(gè)量子比特的芯片，其計(jì)算能力則達(dá)到驚人的2乘以10的90次方比特——那是一個(gè)超過宇宙原子總數(shù)量的數(shù)字。

量子計(jì)算機(jī)vs.經(jīng)典計(jì)算機(jī)

經(jīng)典計(jì)算機(jī)采用比特這一信息量單位，用“1”或“0”來記錄所有的信息狀態(tài)。而量子計(jì)算機(jī)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(jié)合的時(shí)候。每增加一個(gè)量子比特，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力就能翻一番，這種指數(shù)式增長(zhǎng)可催生強(qiáng)大得多的規(guī)?；瘷C(jī)器。

制圖：Todd Detwiler

但這種對(duì)比僅適用于特定的運(yùn)算任務(wù)。拿比特和量子比特比較不是易事，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)是截然不同的兩種機(jī)器。不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)對(duì)一個(gè)問題的所有潛在解決方案進(jìn)行測(cè)試。相反，它們利用算法來剔除導(dǎo)向錯(cuò)誤答案的路徑，僅留下導(dǎo)向正確答案的路徑——那些算法僅適用于解決特定的問題。這使得量子計(jì)算機(jī)不適用于進(jìn)行日常上網(wǎng)等用途，因此別指望會(huì)出現(xiàn)量子iPhone。但它們能夠做的是，解決特定復(fù)雜到難以想象的問題，如合成新分子來設(shè)計(jì)更加輕盈的飛機(jī)部件、更加有效的藥物和更好的電池。

量子計(jì)算機(jī)也存在錯(cuò)誤率高的問題，因此部分科學(xué)家和數(shù)學(xué)家質(zhì)疑它們的可靠性。谷歌和其它的公司稱該問題可通過糾正錯(cuò)誤的算法來解決，但那些算法需要更多的量子比特來檢查進(jìn)行運(yùn)算的量子比特的工作。有的專家估計(jì)，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?qǐng)?bào)》旗下雜志“WSJ. Magazine”采訪時(shí)稱，公司的人給他展示幻燈片時(shí)，量子計(jì)算項(xiàng)目是他真正沒搞懂的部分。

曾獲得諾貝爾獎(jiǎng)的理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼(Richard Feynman)說，“我想，可以說幾乎沒有人能夠理解量子力學(xué)。”

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

量子計(jì)算機(jī)研發(fā)難在哪兒？

在之后的20年里，研究人員嘗試打造費(fèi)曼所設(shè)想的那種機(jī)器，但沒有取得成功。量子比特被證明非常脆弱、多變。它們只能夠?qū)B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(guī)模運(yùn)算能力。近乎感覺不到的細(xì)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(jì)算機(jī)科學(xué)家杰瑞·周(Jerry Chow)在演講中說，“你肯定能夠做到，但一旦噪聲、熱量或者震動(dòng)帶來哪怕一丁點(diǎn)的干擾，也會(huì)讓它搞砸。”

在過去的五年間，科學(xué)家們?cè)诹孔佑?jì)算機(jī)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(xiàng)目，來自潛在客戶的興趣也應(yīng)聲增加。

大眾汽車正在測(cè)試由加拿大公司D-Wave Systems Inc.生產(chǎn)的量子計(jì)算機(jī)。這兩家公司3月份表示，他們利用北京1萬輛出租車上的GPS數(shù)據(jù)編制了一套算法，能夠計(jì)算出抵達(dá)機(jī)場(chǎng)最快、交通最順暢的路線。D-Wave稱，一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)45分鐘才能完成這項(xiàng)任務(wù)，但其量子計(jì)算機(jī)只需遠(yuǎn)不到1秒。

這樣看來D-Wave似乎已經(jīng)勝出，但該公司售價(jià)1,500萬美元的2000Q型量子計(jì)算機(jī)只適用于范圍很窄的數(shù)據(jù)分析，包括前面提到的大眾汽車的測(cè)試。盡管2000Q擁有2,000個(gè)量子比特（科學(xué)家警告說，這個(gè)數(shù)字不應(yīng)拿來與通用量子計(jì)算機(jī)作比較，比如谷歌的量子計(jì)算機(jī)），但還沒有達(dá)到量子霸權(quán)的地步。D-Wave總裁Bo Ewal表示，設(shè)計(jì)2000Q的初衷并不是用它來找到最優(yōu)方案，而是在短期內(nèi)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(jì)算機(jī)的到來。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(shù)分解的算法（即反向乘法）完成的。一個(gè)非常龐大的數(shù)字（比如長(zhǎng)度達(dá)到幾百位的數(shù)字）可以作為加密數(shù)據(jù)的鎖，而這個(gè)數(shù)字的兩個(gè)質(zhì)因數(shù)則是鑰匙。所謂的公鑰加密被用來保護(hù)健康檔案、在線交易和大量其他敏感數(shù)據(jù)，因?yàn)橐慌_(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要想找到這兩個(gè)質(zhì)數(shù)將花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間。但在理論上，量子計(jì)算機(jī)幾乎可做到“立等可取”。

企業(yè)和政府正在忙著為一些人口中的量子元年(Y2Q)做準(zhǔn)備。在量子元年，一部精確的大型量子計(jì)算機(jī)將問世，一些專家預(yù)計(jì)那將是在2026年前后。屆時(shí)，人類守護(hù)最嚴(yán)密的數(shù)字秘密可能變得不堪一擊。

去年，美國(guó)國(guó)家安全局(NSA)發(fā)布命令，要求美國(guó)國(guó)家安全職員和供應(yīng)商必須要在“不遠(yuǎn)的將來”改造他們的加密系統(tǒng)，以防范量子計(jì)算機(jī)帶來的威脅。由于國(guó)家安全信息必須要被保護(hù)數(shù)十年，該機(jī)構(gòu)稱新加密系統(tǒng)必須要在這些機(jī)器到來之前落實(shí)到位。該機(jī)構(gòu)警告稱，不然，可破譯密碼的量子計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)國(guó)家安全產(chǎn)生“毀滅性的影響”。

政府不僅僅在打防御戰(zhàn)。據(jù)《華盛頓郵報(bào)》報(bào)道，前NSA雇員斯諾登2013年泄露的文件顯示，作為8,000萬美元的研究項(xiàng)目“攻堅(jiān)”(Penetrating Hard Targets)的一部分，NSA正在開發(fā)自有的量子計(jì)算機(jī)。目前還不清楚NSA取得了多大的進(jìn)展。該機(jī)構(gòu)拒絕置評(píng)。

量子計(jì)算機(jī)競(jìng)賽的主要推動(dòng)力是其顛覆整個(gè)行業(yè)的潛力。專家們認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)近期最大的希望是為機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能以及相關(guān)行業(yè)注入超能力。機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能是當(dāng)前迅速發(fā)展的兩個(gè)領(lǐng)域。谷歌的奈文稱，他預(yù)計(jì)10年內(nèi)所有的機(jī)器學(xué)習(xí)都將在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

今年早些時(shí)候，這場(chǎng)商業(yè)競(jìng)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(duì)通用型量子計(jì)算機(jī)來說具有里程碑的意義。之前一天，一個(gè)行業(yè)組織發(fā)表了對(duì)谷歌量子硬件主管約翰·馬丁尼斯(John Martinis)的采訪。馬丁尼斯在采訪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Google出現(xiàn)在底部

走進(jìn)谷歌量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室

目前，谷歌的芯片被冷凍存放于該公司圣巴巴拉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一個(gè)被稱作低溫恒溫器的精制大桶里。該看似閑適的實(shí)驗(yàn)室位于洛杉磯，是奈文領(lǐng)帶的量子項(xiàng)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(fù)責(zé)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(yàn)室一個(gè)角落的閃閃發(fā)光的低溫恒溫器。他們梳著卷發(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(jì)算機(jī)必須要與外部世界完全隔絕開來。該低溫恒溫器的高導(dǎo)磁合金外殼可阻隔地球的磁場(chǎng)，它上面貼著一條保險(xiǎn)杠貼紙，寫著：“我的另一臺(tái)計(jì)算機(jī)是經(jīng)典型的。”

一個(gè)表面布滿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(nèi)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(duì)零度高一點(diǎn)，這給谷歌的量子比特進(jìn)行運(yùn)算創(chuàng)造了所需的超導(dǎo)條件。“如果你晃動(dòng)這個(gè)架子，你可以看到溫度計(jì)的讀數(shù)上升。”溫森徹說，隨后搖了搖將低溫恒溫器懸在空中來限制震動(dòng)干擾的支架。他接著說，“我或許不該這么做。”

該裝置如此錯(cuò)綜復(fù)雜、昂貴，這意味著谷歌和它的同行很可能將在云端出售量子計(jì)算，可能會(huì)按秒計(jì)費(fèi)。

目前，奈文和他的團(tuán)隊(duì)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啟量子霸權(quán)以及一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域里，計(jì)算機(jī)利用的是復(fù)雜到無法想象的自然法則，而不是將世界轉(zhuǎn)變成“1”和“0”。

奈文說，“這臺(tái)計(jì)算機(jī)里面沒有晶體管。它是一個(gè)全然不同的猛獸，是多元宇宙的原住民。”