量子躍遷：障礙依然存在，但計算機革命即將來臨

　　推銷員湯姆即將上路，為期一個月的旅程，拜訪客戶和銷售前景，他將前往美國50個地方。

　　湯姆需要用三個優(yōu)先級來優(yōu)化這次旅行。首先，他必須最大化每個客戶的時間;其次，他必須在盡可能以最短的距離完成這次旅行;最后，他必須盡可能的降低做這件事的成本。

　　這一經(jīng)典的“旅行推銷員問題”，已經(jīng)延續(xù)了幾十年，目前量子計算機可以在幾秒鐘內(nèi)將它解決。

　　路徑優(yōu)化是量子計算機的一個亮點，但它也在模擬化學(xué)化合物，發(fā)現(xiàn)DNA序列中的模式，優(yōu)化金融組合和預(yù)測天氣。量子計算機的使用也會比傳統(tǒng)的自動駕駛汽車更安全有效，這項技術(shù)還可能會徹底改變保險業(yè)的風(fēng)險分析。

　　簡而言之，問題越復(fù)雜，涉及的變量越多，量子計算的效果就越好。這也是該領(lǐng)域在35多年的時間里讓科學(xué)家們一直在追求這個領(lǐng)域的原因。

　　而今越來越多的證據(jù)表明，量子計算正接近現(xiàn)實。投資資本正在流入市場，一些量子計算機開發(fā)商正討論最快在明年展示超級計算機級系統(tǒng)的原型。

　　量子創(chuàng)業(yè)公司IonQ表示，上個月公司已經(jīng)完成了2200萬美元的融資，目標(biāo)是在12個月內(nèi)制造出通用的量子處理器。這是該領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司在今年第二次獲得的大筆資金。今年3月，Rigetti電腦公司表示已經(jīng)籌集了6400萬美元，預(yù)計明年將展出一臺機器，在某些任務(wù)中它將超越世界上最大的超級計算機。今年3月，IBM公司在其公共云上安裝了量子處理器，并邀請研究人員對其進行實驗。此前，D-Wave Systems公司宣布將一臺巨大的量子計算機以1500萬美元的價格賣給一位未透露姓名的客戶。今年7月，一份報告稱谷歌公司還計劃通過云服務(wù)向研究人員提供其新的量子計算技術(shù)。

　　就在三年前，專家們還在爭論量子計算機是否還能建成，現(xiàn)在的共識是：這只是時間問題，而又不僅僅是時間問題。“對于連貫的、有能力的系統(tǒng)來說，主要的障礙已經(jīng)解決了。”Rigetti工程主管Andrew Bestwick說，“現(xiàn)在面臨的主要挑戰(zhàn)是如何利用小型系統(tǒng)上的演示，并以高度可伸縮的形式實現(xiàn)它。”

　　這也可能打開一個利潤豐厚的新市場。目前它的規(guī)模很小，但增長速度很快。市場研究公司預(yù)計，到2022年量子計算機的年銷售額將增長24%，達到將近25億美元。市場研究媒體公司則更為樂觀，預(yù)計2020年的年銷售額將達到50億美元。

　　絕佳的時機

　　摩爾定律已經(jīng)推動了計算機行業(yè)50多年的發(fā)展，但它似乎終于失去了動力，量子計算機可以開啟一個計算能力發(fā)展的新時代。

　　這是我們迫切需要的。物聯(lián)網(wǎng)有望使網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜，這樣一來我們就需要全新的網(wǎng)絡(luò)管理方法，這是一項非常適合量子技術(shù)的任務(wù)。此外，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的爆炸性增長，需要新的分析方法來進行分析這一切。而那些正在尋找新的效率和收入來尋求數(shù)字化轉(zhuǎn)型的組織將會發(fā)現(xiàn)，量子科技打開了巨大的新機遇。

　　這是否就意味著是時候在這些英特爾服務(wù)器上掛一個“出售”的標(biāo)志了呢?還沒有。在量子計算機發(fā)展前線的人們說，用戶有望在未來幾年內(nèi)看到切實的利益，但那些能在幾秒鐘內(nèi)破解256位加密代碼的吹噓機器，仍需10年或更久才能實現(xiàn)。D-Wave是目前唯一一家運輸商業(yè)量子計算機的公司，專家們質(zhì)疑它的技術(shù)是否真的是“真正的”量子計算機。IBM、谷歌和微軟等大型企業(yè)都已建立了自己的計劃，但市場四分五裂、群龍無首，圍繞建筑細節(jié)仍在爭論不休。

　　但現(xiàn)在開始思考量子技術(shù)可以解決的問題還為時過早，諸如優(yōu)化交通路線、繪制分子交互、優(yōu)化股票市場組合和預(yù)測天氣等指數(shù)復(fù)雜度的任務(wù)。這就需要理解量子計算的中位和量子位的不同之處。

　　比特和量子位

　　量子力學(xué)的原理還是會讓一般人很困惑，以因此專家們傾向于用傳統(tǒng)的計算方法來描述計算技術(shù)。

　　主流的數(shù)字計算機是基于二進制算術(shù)的，其中數(shù)字被表示為1和0的組合。使用這些二進制數(shù)字或二進制數(shù)字進行計算的速度非常慢，但它有一個優(yōu)勢，無論在on或off狀態(tài)下都可以很好地使用晶體管。當(dāng)你在一個問題上拋出足夠多的晶體管時，它們便可以以目眩的速度完成二進制運算。這就是二進制數(shù)字計算機的工作原理。

　　傳統(tǒng)計算機技術(shù)擅長于快速地對大量數(shù)據(jù)進行簡單的計算，但他們無法很好地適應(yīng)多個相互依賴的變量的問題，比如旅行推銷員問題。這也給量子計算機帶來用武之地。

　　量子位是量子的位元，但它們要復(fù)雜得多。一個比特是0或1，而量子位可以是0、1或其他。其他的東西可以是1/2、9/16、123/128，或者多維軸上的其他點。如果有一點是一條水平線，那么一個量子位是一個包含x、y、z軸的球體，以及在球體中任何位置表示數(shù)據(jù)的能力。這個概念通常被表示為一個膨脹的球體(如圖)。這種“超級定位”特性使得量子位可以代表復(fù)雜的問題集，而二進制計算機無法做到這一點。量子計算機的另一個重要區(qū)別是被稱為“糾纏”的東西，或者是量子位相互關(guān)聯(lián)的能力，因此每個人都能意識到所有其他事物的狀態(tài)。

　　這就意味著，量子計算機隨著量子位的增加而呈指數(shù)級增長。因此，從理論上講，一個200量子位系統(tǒng)的功率是100量子位系統(tǒng)的2的200次平方倍。相比之下，傳統(tǒng)的數(shù)字計算機是線性增長的。專家們普遍認為，30量子位或更小的量子計算機仍然可以被傳統(tǒng)的數(shù)字計算機所超越，但當(dāng)密度超過30個量子位時，情況就會發(fā)生變化。

　　你需要一個相當(dāng)大的IBM Power系統(tǒng)來模擬一個30量子位的設(shè)備，當(dāng)?shù)竭_40或45量子位的時候，你需要世界上最大的超級計算機。”IBM的量子計算技術(shù)策略和轉(zhuǎn)型的副總裁兼首席技術(shù)官Scott Crowder說。

　　極其復(fù)雜的挑戰(zhàn)

　　但量子比特也帶來了一些重大挑戰(zhàn)，其中最重要的是可靠性。電腦總是會犯錯，原因包括硬件故障、環(huán)境因素以及功率的變化。這些錯誤很容易在數(shù)字計算機中使用校驗和等簡單的驗證技術(shù)進行糾正。

　　量子位要復(fù)雜得多，因此也比位元更脆弱在一些量子模型中，量子位容易快速變換狀態(tài)，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)錯誤。多年來，如何解決這個所謂的“一致性”問題一直困擾著開發(fā)人員。“如果你有一秒鐘的計算，你的一致性在100微秒之內(nèi)就消失了，那么你就不會有量子計算的力量了，”愛奧克公司的首席執(zhí)行官說。“那么結(jié)果也會是錯誤的。”使問題更加復(fù)雜的是量子位的相互依賴，這使得測量和隔離錯誤更加困難。事實上，測量一個量子位的過程會導(dǎo)致它進入一個錯誤狀態(tài)，IBM的克勞德表示。

　　IBM在2015年下半年宣布了解決量子比特錯誤修正和可擴展性問題的重大突破。它已經(jīng)成功地使用了量子位來解決彼此的錯誤，但解決方案并不完美，因為需要1000個或更多的量子位來監(jiān)視單個的錯誤。這個問題不僅抑制了性能問題，而且限制了可伸縮性。

　　開發(fā)商們正在解決的另一個問題是對熱量的控制。大多數(shù)基于格的方法都需要超級冷卻，這就限制了數(shù)據(jù)中心的環(huán)境。例如，D-Wave公司的700立方英尺處理引擎(左圖)是一種低溫制冷設(shè)備，它將量子處理器冷卻到溫度低于星際空間180倍的溫度。IBM和Rigetti公司也在追求超導(dǎo)體系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需要極低的溫度。

　　IonQ公司有一種不同的方法被稱為“捕獲離子”，它使用激光冷卻和分離單個離子。這使得量子位更容易控制，從而也更可預(yù)測。該公司預(yù)計，trapped-ion技術(shù)將使其電腦在室溫下運行，盡管尚未制造出原型機。

　　一個誤解

　　關(guān)于量子計算機的一個常見誤解是，它們將取代數(shù)字計算機。事實上，這兩種架構(gòu)是適合不同類型的問題。對于涉及基本算法的大多數(shù)常見數(shù)據(jù)處理任務(wù)，數(shù)字計算機在未來的許多年里將會一直是好的解決方案。

　　量子計算機更適合于復(fù)雜性增加作為變量數(shù)量的指數(shù)的問題。IonQ公司的Moehring將化肥生產(chǎn)作為一個量子計算機將解決傳統(tǒng)計算機無法解決的問題。量子計算機給出的答案是世界上大約2%的能源都用于化肥生產(chǎn)，這是一個昂貴的過程，自然處理得更加巧妙。了解如何復(fù)制自然過程需要分子建模，這是一個隨潛在的相互作用而呈指數(shù)增長的問題。“即使是一個尺寸適中的分子，世界上最強大的經(jīng)典計算機也無法模擬它的相互作用，”他說，“而且他們永遠不會，因為傳統(tǒng)的計算機無法達到足夠的規(guī)模。”

　　另一種誤解是量子計算機只有一種。事實上，有好幾種，大多數(shù)商業(yè)活動都集中在三種架構(gòu)上。

　　量子門模型是由Rigetti、IonQ和IBM(如圖)以不同的方式進行的。它具有足夠的靈活性，可以通過編程適應(yīng)各種不同的使用場景。誤差校正是量子門模型最大的缺點之一。IonQ正在用被捕獲的離子技術(shù)解決這個問題，而Rigetti和IBM正在追求超導(dǎo)量子位。

　　D-Wave使用的量子退火模型具有穩(wěn)定性優(yōu)勢，但被認為比量子門模型更靈活。

　　由微軟公司提出的拓撲量子模型被認為是這三者中技術(shù)含量最高的。它將靈活性與低錯誤率結(jié)合在一起，但在這一點上，它的缺點只是理論上存在：從來沒有人沒有人構(gòu)建過。

　　市場是如此之新，以至于幾乎沒有達成共識，哪一種方法是最好的，參與者仍在激烈地討論“純”量子計算的定義和優(yōu)點。目前正在運輸商業(yè)量子處理器D-Wave的公司已經(jīng)采用了量子化的方法，這一模式引發(fā)了相當(dāng)大的爭議。

　　“D-Wave的弱點在于，你需要把問題映射到一個固定的功能上，”IBM的Crowder這樣表示。“我不清楚它是否會比傳統(tǒng)的計算機更有優(yōu)勢，但只要它們展示了商業(yè)價值，其他的就不重要了。”

　　Rigetti公司的Bestwick同意。他說:“這就像一個特殊用途的ASIC(特定于應(yīng)用程序的集成電路)，只能做一件事和一件事。”

　　D-Wave的Brownell駁斥了這樣的批評，因為競爭對手為了轉(zhuǎn)移人們的注意力而忽略了他們沒有產(chǎn)品的事實。他說，D-Wave的方法和其他方案一樣，都具有可擴展性和靈活性。D-Wave指出其140項美國專利和90多篇同行評審的論文作為證據(jù)。他說：“其他人正試圖做一個更數(shù)學(xué)或理論上更純粹的量子計算，但他們還需要數(shù)年時間才能解決其中的一些簡單的問題。”“我們是唯一擁有真正客戶的人。”

　　作為D-Wave方法可行性的證據(jù)，他提到了該公司所取得的持續(xù)的可擴展性。2011年推出的第一臺機器包含128個量子位。新的2000Q量子位為2000，增加了15倍。他引用谷歌2015年的發(fā)現(xiàn)，在蒙特卡洛模擬中，一臺D-Wave機器比單核計算機快1億倍，他說:“我們今天所裝運的機器比我們第一次裝運的機器要強大數(shù)十萬倍。”

　　未來五年

　　在未來的三到五年內(nèi)，量子計算不太可能應(yīng)用在核心科學(xué)之外的應(yīng)用中。但到那時，50位量子門處理器應(yīng)該開始進入市場。IBM表示，未來幾年內(nèi)將會開發(fā)出商用硬件。“并不會用很長時間，”他說。“我們正處在風(fēng)口浪尖上。”

　　IonQ的Moehring認為，他的公司將在2022年建成的系統(tǒng)“不太可能解決非常大的分子動力學(xué)或優(yōu)化問題，但他們將創(chuàng)造出我們需要發(fā)現(xiàn)這些應(yīng)用的路線圖。”Rigetti的Bestwick說，他的公司的第一個商業(yè)系統(tǒng)很可能是混合動力車，“使用經(jīng)典計算機應(yīng)用于經(jīng)典計算機的部分應(yīng)用，并使用量子計算來解決無法解決的部分。”

　　在信息技術(shù)領(lǐng)域，目前專注于將所有可能的硬件功能抽象到軟件上，量子計算機行業(yè)仍然牢牢地扎根于金屬硬件中。沒有標(biāo)準(zhǔn)，沒有對等的處理器平臺，也沒有參考架構(gòu)。每個供應(yīng)商都在推出自己的解決方案和與之配套的軟件。這是否意味著一家公司將會像上世紀(jì)80年代的IBM那樣來主宰量子計算領(lǐng)域?但是IBM的首席代表并不這么認為。

　　他表示：“IBM這樣的公司提供完整的服務(wù)，但我們也需要第三方，他們對企業(yè)客戶的領(lǐng)域有非常直觀的了解。”“我們?yōu)橄到y(tǒng)的發(fā)展做出了很多努力。”

　　Crowder說，系統(tǒng)軟件級別的編程將需要專業(yè)技能，但他預(yù)計應(yīng)用程序開發(fā)人員將能夠比較容易地轉(zhuǎn)換到量子。他說：“你不需要成為量子專家來為量子計算機編寫代碼。”“你可以從GitHub上下載Python筆記來完成這一任務(wù)。”

　　在這些平臺問題得到解決之前，應(yīng)用程序?qū)⒅饕渴止ぞ帉?。風(fēng)險投資公司新企業(yè)協(xié)會的負責(zé)人安德魯?舍恩表示，現(xiàn)在就把賭注押在打包軟件上還為時過早。“這就像在仙童半導(dǎo)體成立之前投資亞馬遜，”他說。

　　但作為IonQ的主要投資者，NEA正在把錢放進自己嘴里。“風(fēng)險資本的作用是投資于那些有機會大幅改善未來的人和公司，”他說。“量子計算完全符合在這個框架當(dāng)中。”

　　如果目前的趨勢繼續(xù)下去，它也將越來越符合主流企業(yè)的處理框架。在量子力學(xué)模型首次發(fā)表后的37年，推銷員湯姆可能很快就可以開始他的終極之旅了。