亚马逊的大动作：与加理工合作建立AWS量子计算中心
2020年，在加州理工学院的东北角，一座两层建筑平地而起。虽然设计不起眼，但在这栋建筑里面发生的事情可能会改变量子计算的未来，它就是AWS量子计算中心，也是加州理工学院和亚马逊云计算合作的重大成果。这项合作的目标是助推量子计算机和相关研发技术的落地，这些技术有可能彻底改变数据安全、机器学习、医学发展等领域。
“大多数人都知道亚马逊这家公司。”加州理工学院理论物理学教授兼AWS 量子算法负责人费尔南多•布兰唐表示: “亚马逊不止是一个购物平台，它也是科技领域的巨头企业。亚马逊AWS云服务是当今世界上最大的云服务提供商。他们除了正在考虑如何让AWS的用户进行更简单、更便捷的计算，还在考虑未来5年或10年内如何让量子计算和云计算并行。”
（图片来源: 亚马逊网）
加州理工学院在量子科学领域有着悠久的历史，这项合作将有助于在量子计算的商业应用与该学院基础研究之间架起一座桥梁。
加州理工学院应用物理学教授兼AWS量子硬件负责人奥斯卡 · 佩因特表示，量子计算仍然是一项非常全新的技术，因此将开发工作与学术界的最新研究直接联系起来至关重要。
（图片来源: 亚马逊网）
这是加州理工学院第一个与企业合作的量子计算项目，它反映出加州理工学院想将基础科学引入市场的决心。AWS中心还将通过奖学金、实习和研讨会等方式支持从事这类项目研究的加州理工学院的学生和科学家。
“学生们将有机会通过加州理工学院接触并研讨最前沿的科学技术，这对学生来说机会非常难得。”佩因特说，“ AWS也能拉动学院的人才互动，这些人才将是未来的工程师和科学家，他们将是建造量子计算机的中坚力量。”
扩大规模
建造量子计算机的最大挑战之一就是扩大其量子比特规模。由于量子计算机背后的研发技术相当复杂，目前的原型机仍处于试验阶段。量子计算机想要真正超越今天的经典计算机，就需要扩大量子计算机的量子比特规模。
例如，现在的量子计算机只能在几十个量子位上工作，这些量子位相当于比特，或者说1和0构成了经典计算机的语言。研究人员想要建立一个拥有数千个量子比特甚至更多的量子计算机，“传统的计算机有数十亿甚至数万亿的比特，这就是我们最终想要的量子比特数。”布兰唐说。
奥斯卡 · 佩因特，加州理工学院应用物理学和物理学教授兼AWS 量子硬件负责人。（图片来源: 加州理工学院）
佩恩特说，尽管一些媒体的报道暗示量子计算机即将问世，但这项技术仍处于初级阶段。“我们现在可以用量子计算机来解决一些小问题，但是我们需要在很长一段时间内扩大这项技术的量子比特规模，以此才能真正解决重大问题。而弄清楚量子计算机最好解决什么问题也是一个活跃的研究领域。令人兴奋的是，我们已经能够控制大规模的量子系统，但还没有找到所有的答案。”
与比特不同的是，量子比特可以处于叠加态，在这种状态下，量子比特同时处于1和0的状态、处于两者之间的所有可能状态。(在埃尔温·薛定谔著名的叠加类比中，猫可以同时是死和活的状态，但也可以是这两种状态的任意组合或叠加。)
什么是“退相干”？
量子比特同时处理多种状态的能力，使得量子计算机在某些类型的问题处理上具有比传统计算机更强的指数级潜力，包括化学、金融、密码学等等。但是这种能力也有缺点，量子比特非常脆弱，任何微小的扰动，比如震动或者热量，都可以把它们从叠加态中“推出去”，这种现象被称为“退相干”。未来量子计算机的建造关键就在于有效操控这些由退相干引起的错误。
“我们现代计算机中晶体管的错误率非常低，只有十亿分之一的错误率，这使得复杂的计算得以完成。”佩因特说，“量子计算机目前受到错误率的限制，大约每千次操作就会有一次错误。”
费尔南多 · 布兰唐，加州理工学院理论物理学教授兼AWS量子算法主任（图片来源：网络
AWS的主要目标是创建量子计算机体系结构，在硬件中建立量子纠错功能。AWS的硬件依赖于超导量子比特，它在略高于绝对零度的超低温环境下工作。量子纠错方法是使用冗余的量子比特集合形成逻辑量子比特，对量子信息进行编码，可用于检测和纠正错误。量子纠错的一个主要挑战是每个逻辑量子比特所需的物理量子比特的数量与大量的硬件相关联。
“在纠错量子计算机中，构成逻辑量子比特的物理量子比特越多，逻辑量子比特相对于单个物理量子比特的错误率就越低。”佩因特说，“在未来，我们希望将逻辑量子比特的数量增加到数百或数千，同时将逻辑量子比特错误率降低多个数量级，这样我们就可以执行足够复杂的量子计算以此来处理高难度问题，因此我们需要进一步开发物理硬件和逻辑量子比特体系结构。”
量子之源
由于加州理工学院在量子科技领域的悠久历史，使得它非常适合作为量子创新的中心。已故的理查德 · 费曼是加州理工学院的资深物理学教授，也是最早提出量子计算机概念的伟人之一。在1981年的一次演讲中，他提出了一个著名的观点: 用经典计算机模拟物理学中的系统有局限性，因为自然界不是经典态，如果想要模拟自然界，最好用量子力学进行模拟。
1994年，贝尔实验室的加州理工学院校友彼得 · 肖尔开发了一种量子算法，可以在非常短的时间内分解大量数据，展示了量子技术的巨大威力。例如，一台量子计算机可以在8小时内分解2048位数字，而传统计算机需要300万亿年。肖尔还助推了量子纠错码的发展。
加州理工学院的杰夫·金布尔和物理学荣誉退休教授威廉·瓦伦丁，是第一批在1998年实现量子隐形传态的人，通过纠缠将信息从一束光束发送到另一束光束，这个过程中粒子之间没有直接接触。2008年，他们和同事率先将纠缠量子态存储在存储设备中。
“我在加州理工学院读研究生时，曾与杰夫•金布尔一起学习。金布尔以极高的灵敏度测量了小型原子—光子量子系统，并正在利用这些系统开发量子协议，有朝一日，这些系统可能最终会被用于创建某种形式的量子互联网。”
现在在加州理工学院读研究生的安妮卡·杜加德说，在校园里设立 AWS 中心会给加州理工学院的尖端量子研究带来更多的便利。杜加德是亚马逊资助的几位研究生学习的学者之一，她正在利用AWS的支持来研究黑洞信息悖论，这个谜团在20世纪70年代早期由斯蒂芬 · 霍金首次揭开，它探索了困在黑洞中的信息会发生什么。最后，杜加德说她想把她所学到的东西应用到量子计算中更实际的问题上。
“量子计算机领域出现了一种新的范式。”布兰唐表示，“虽然量子计算还处于早期阶段，但我认为它的发展也非常令人期待。”
翻译：任怡朴
编辑：慕一
