量子躍遷：障礙依然存在，但計算機革命即將來(lái)臨

　　推銷(xiāo)員湯姆即將上路，為期一個(gè)月的旅程，拜訪(fǎng)客戶(hù)和銷(xiāo)售前景，他將前往美國50個(gè)地方。

　　湯姆需要用三個(gè)優(yōu)先級來(lái)優(yōu)化這次旅行。首先，他必須最大化每個(gè)客戶(hù)的時(shí)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(xiāo)員問(wèn)題”，已經(jīng)延續了幾十年，目前量子計算機可以在幾秒鐘內將它解決。

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

　　簡(jiǎn)而言之，問(wèn)題越復雜，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(shí)間里讓科學(xué)家們一直在追求這個(gè)領(lǐng)域的原因。

　　而今越來(lái)越多的證據表明，量子計算正接近現實(shí)。投資資本正在流入市場(chǎng)，一些量子計算機開(kāi)發(fā)商正討論最快在明年展示超級計算機級系統的原型。

　　量子創(chuàng )業(yè)公司IonQ表示，上個(gè)月公司已經(jīng)完成了2200萬(wàn)美元的融資，目標是在12個(gè)月內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(wàn)美元，預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(jìn)行實(shí)驗。此前，D-Wave Systems公司宣布將一臺巨大的量子計算機以1500萬(wàn)美元的價(jià)格賣(mài)給一位未透露姓名的客戶(hù)。今年7月，一份報告稱(chēng)谷歌公司還計劃通過(guò)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(zhuān)家們還在爭論量子計算機是否還能建成，現在的共識是：這只是時(shí)間問(wèn)題，而又不僅僅是時(shí)間問(wèn)題。“對于連貫的、有能力的系統來(lái)說(shuō)，主要的障礙已經(jīng)解決了。”Rigetti工程主管Andrew Bestwick說(shuō)，“現在面臨的主要挑戰是如何利用小型系統上的演示，并以高度可伸縮的形式實(shí)現它。”

　　這也可能打開(kāi)一個(gè)利潤豐厚的新市場(chǎng)。目前它的規模很小，但增長(cháng)速度很快。市場(chǎng)研究公司預計，到2022年量子計算機的年銷(xiāo)售額將增長(cháng)24%，達到將近25億美元。市場(chǎng)研究媒體公司則更為樂(lè )觀(guān)，預計2020年的年銷(xiāo)售額將達到50億美元。

　　絕佳的時(shí)機

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

　　這是我們迫切需要的。物聯(lián)網(wǎng)有望使網(wǎng)絡(luò )變得更加復雜，這樣一來(lái)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)數據的爆炸性增長(cháng)，需要新的分析方法來(lái)進(jìn)行分析這一切。而那些正在尋找新的效率和收入來(lái)尋求數字化轉型的組織將會(huì )發(fā)現，量子科技打開(kāi)了巨大的新機遇。

　　這是否就意味著(zhù)是時(shí)候在這些英特爾服務(wù)器上掛一個(gè)“出售”的標志了呢?還沒(méi)有。在量子計算機發(fā)展前線(xiàn)的人們說(shuō)，用戶(hù)有望在未來(lái)幾年內看到切實(shí)的利益，但那些能在幾秒鐘內破解256位加密代碼的吹噓機器，仍需10年或更久才能實(shí)現。D-Wave是目前唯一一家運輸商業(yè)量子計算機的公司，專(zhuān)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(chǎng)四分五裂、群龍無(wú)首，圍繞建筑細節仍在爭論不休。

　　但現在開(kāi)始思考量子技術(shù)可以解決的問(wèn)題還為時(shí)過(guò)早，諸如優(yōu)化交通路線(xiàn)、繪制分子交互、優(yōu)化股票市場(chǎng)組合和預測天氣等指數復雜度的任務(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(huì )讓一般人很困惑，以因此專(zhuān)家們傾向于用傳統的計算方法來(lái)描述計算技術(shù)。

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

　　傳統計算機技術(shù)擅長(cháng)于快速地對大量數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的計算，但他們無(wú)法很好地適應多個(gè)相互依賴(lài)的變量的問(wèn)題，比如旅行推銷(xiāo)員問(wèn)題。這也給量子計算機帶來(lái)用武之地。

　　量子位是量子的位元，但它們要復雜得多。一個(gè)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(diǎn)。如果有一點(diǎn)是一條水平線(xiàn)，那么一個(gè)量子位是一個(gè)包含x、y、z軸的球體，以及在球體中任何位置表示數據的能力。這個(gè)概念通常被表示為一個(gè)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雜的問(wèn)題集，而二進(jìn)制計算機無(wú)法做到這一點(diǎn)。量子計算機的另一個(gè)重要區別是被稱(chēng)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(gè)人都能意識到所有其他事物的狀態(tài)。

　　這就意味著(zhù)，量子計算機隨著(zhù)量子位的增加而呈指數級增長(cháng)。因此，從理論上講，一個(gè)200量子位系統的功率是100量子位系統的2的200次平方倍。相比之下，傳統的數字計算機是線(xiàn)性增長(cháng)的。專(zhuān)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的數字計算機所超越，但當密度超過(guò)30個(gè)量子位時(shí)，情況就會(huì )發(fā)生變化。

　　你需要一個(gè)相當大的IBM Power系統來(lái)模擬一個(gè)30量子位的設備，當到達40或45量子位的時(shí)候，你需要世界上最大的超級計算機。”IBM的量子計算技術(shù)策略和轉型的副總裁兼首席技術(shù)官Scott Crowder說(shuō)。

　　極其復雜的挑戰

　　但量子比特也帶來(lái)了一些重大挑戰，其中最重要的是可靠性。電腦總是會(huì )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字計算機中使用校驗和等簡(jiǎn)單的驗證技術(shù)進(jìn)行糾正。

　　量子位要復雜得多，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)，導致經(jīng)常出現錯誤。多年來(lái)，如何解決這個(gè)所謂的“一致性”問(wèn)題一直困擾著(zhù)開(kāi)發(fā)人員。“如果你有一秒鐘的計算，你的一致性在100微秒之內就消失了，那么你就不會(huì )有量子計算的力量了，”愛(ài)奧克公司的首席執行官說(shuō)。“那么結果也會(huì )是錯誤的。”使問(wèn)題更加復雜的是量子位的相互依賴(lài)，這使得測量和隔離錯誤更加困難。事實(shí)上，測量一個(gè)量子位的過(guò)程會(huì )導致它進(jìn)入一個(gè)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(wèn)題的重大突破。它已經(jīng)成功地使用了量子位來(lái)解決彼此的錯誤，但解決方案并不完美，因為需要1000個(gè)或更多的量子位來(lái)監視單個(gè)的錯誤。這個(gè)問(wèn)題不僅抑制了性能問(wèn)題，而且限制了可伸縮性。

　　開(kāi)發(fā)商們正在解決的另一個(gè)問(wèn)題是對熱量的控制。大多數基于格的方法都需要超級冷卻，這就限制了數據中心的環(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公司也在追求超導體系統，這些系統需要極低的溫度。

　　IonQ公司有一種不同的方法被稱(chēng)為“捕獲離子”，它使用激光冷卻和分離單個(gè)離子。這使得量子位更容易控制，從而也更可預測。該公司預計，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(gè)誤解

　　關(guān)于量子計算機的一個(gè)常見(jiàn)誤解是，它們將取代數字計算機。事實(shí)上，這兩種架構是適合不同類(lèi)型的問(wèn)題。對于涉及基本算法的大多數常見(jiàn)數據處理任務(wù)，數字計算機在未來(lái)的許多年里將會(huì )一直是好的解決方案。

　　量子計算機更適合于復雜性增加作為變量數量的指數的問(wèn)題。IonQ公司的Moehring將化肥生產(chǎn)作為一個(gè)量子計算機將解決傳統計算機無(wú)法解決的問(wèn)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(gè)昂貴的過(guò)程，自然處理得更加巧妙。了解如何復制自然過(guò)程需要分子建模，這是一個(gè)隨潛在的相互作用而呈指數增長(cháng)的問(wèn)題。“即使是一個(gè)尺寸適中的分子，世界上最強大的經(jīng)典計算機也無(wú)法模擬它的相互作用，”他說(shuō)，“而且他們永遠不會(huì )，因為傳統的計算機無(wú)法達到足夠的規模。”

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

　　量子門(mén)模型是由Rigetti、IonQ和IBM(如圖)以不同的方式進(jìn)行的。它具有足夠的靈活性，可以通過(guò)編程適應各種不同的使用場(chǎng)景。誤差校正是量子門(mén)模型最大的缺點(diǎn)之一。IonQ正在用被捕獲的離子技術(shù)解決這個(gè)問(wèn)題，而Rigetti和IBM正在追求超導量子位。

　　D-Wave使用的量子退火模型具有穩定性?xún)?yōu)勢，但被認為比量子門(mén)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合在一起，但在這一點(diǎn)上，它的缺點(diǎn)只是理論上存在：從來(lái)沒(méi)有人沒(méi)有人構建過(guò)。

　　市場(chǎng)是如此之新，以至于幾乎沒(méi)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(diǎn)。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)了相當大的爭議。

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

　　Rigetti公司的Bestwick同意。他說(shuō):“這就像一個(gè)特殊用途的ASIC(特定于應用程序的集成電路)，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移人們的注意力而忽略了他們沒(méi)有產(chǎn)品的事實(shí)。他說(shuō)，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(zhuān)利和90多篇同行評審的論文作為證據。他說(shuō)：“其他人正試圖做一個(gè)更數學(xué)或理論上更純粹的量子計算，但他們還需要數年時(shí)間才能解決其中的一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題。”“我們是唯一擁有真正客戶(hù)的人。”

　　作為D-Wave方法可行性的證據，他提到了該公司所取得的持續的可擴展性。2011年推出的第一臺機器包含128個(gè)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，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(shuō):“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十萬(wàn)倍。”

　　未來(lái)五年

　　在未來(lái)的三到五年內，量子計算不太可能應用在核心科學(xué)之外的應用中。但到那時(shí)，50位量子門(mén)處理器應該開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。IBM表示，未來(lái)幾年內將會(huì )開(kāi)發(fā)出商用硬件。“并不會(huì )用很長(cháng)時(shí)間，”他說(shuō)。“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“不太可能解決非常大的分子動(dòng)力學(xué)或優(yōu)化問(wèn)題，但他們將創(chuàng )造出我們需要發(fā)現這些應用的路線(xiàn)圖。”Rigetti的Bestwick說(shuō)，他的公司的第一個(gè)商業(yè)系統很可能是混合動(dòng)力車(chē)，“使用經(jīng)典計算機應用于經(jīng)典計算機的部分應用，并使用量子計算來(lái)解決無(wú)法解決的部分。”

　　在信息技術(shù)領(lǐng)域，目前專(zhuān)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(méi)有標準，沒(méi)有對等的處理器平臺，也沒(méi)有參考架構。每個(gè)供應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(zhù)一家公司將會(huì )像上世紀80年代的IBM那樣來(lái)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(hù)的領(lǐng)域有非常直觀(guān)的了解。”“我們?yōu)橄到y的發(fā)展做出了很多努力。”

　　Crowder說(shuō)，系統軟件級別的編程將需要專(zhuān)業(yè)技能，但他預計應用程序開(kāi)發(fā)人員將能夠比較容易地轉換到量子。他說(shuō)：“你不需要成為量子專(zhuān)家來(lái)為量子計算機編寫(xiě)代碼。”“你可以從GitHub上下載Python筆記來(lái)完成這一任務(wù)。”

　　在這些平臺問(wèn)題得到解決之前，應用程序將主要靠手工編寫(xiě)。風(fēng)險投資公司新企業(yè)協(xié)會(huì )的負責人安德魯?舍恩表示，現在就把賭注押在打包軟件上還為時(shí)過(guò)早。“這就像在仙童半導體成立之前投資亞馬遜，”他說(shuō)。

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

　　如果目前的趨勢繼續下去，它也將越來(lái)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(xiāo)員湯姆可能很快就可以開(kāi)始他的終極之旅了。