關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的研究已進(jìn)行了數(shù)十年，目前還尚未生產(chǎn)一臺能夠掀起計(jì)算革命的量子計(jì)算機(jī)。但量子計(jì)算機(jī)的愛好者并不擔(dān)心，相關(guān)研究人員和公司對它的應(yīng)用持樂觀態(tài)度，他們認(rèn)為開發(fā)進(jìn)展比預(yù)期的要好。

位于加利福尼亞州圣何塞的科技巨頭IBM的量子應(yīng)用和軟件高級研究經(jīng)理Jeannette Garcia說：“雖然我們己經(jīng)做了大量的工作，但我不否認(rèn)還有更多的工作要做?！?/p>

Winfried Hensinger是英國布萊頓薩塞克斯大學(xué)的物理學(xué)家，今年2月，他發(fā)表了大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的原理證明。他的初創(chuàng)公司Universal Quantum位于英國海沃茲希思，現(xiàn)在正在與倫敦的發(fā)動(dòng)機(jī)公司羅爾斯——羅伊斯及其他公司合作，開始了漫長而艱巨的研發(fā)過程。

量子計(jì)算機(jī)可以加速藥物發(fā)現(xiàn)、破解加密、加快金融交易的決策、改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)、開發(fā)革命性材料、甚至應(yīng)對氣候變化。現(xiàn)在，對量子計(jì)算機(jī)的這些應(yīng)用預(yù)測變得越來越合理，我們的預(yù)估甚至可能過于保守。

計(jì)算數(shù)學(xué)家Steve Brierley和英國劍橋的量子計(jì)算公司Riverlane的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Brierley都表示：長期來看，量子計(jì)算機(jī)的用途將遠(yuǎn)超我們的想象。

懷疑論者的觀點(diǎn)

目前為止，研究人員只從數(shù)學(xué)層面證明了量子計(jì)算機(jī)在模擬量子物理和化學(xué)以及破解用于保護(hù)在線金融交易等敏感通信的公鑰密碼系統(tǒng)方面，將比當(dāng)前的經(jīng)典計(jì)算機(jī)提供更大的收益。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Scott Aaronson說：“人們談?wù)摰乃衅渌美锤吘壔?，要么更具投機(jī)性，要么兩者兼而有之，而量子專家還沒有實(shí)現(xiàn)任何使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的真正有用的落地?！?/p>

構(gòu)建硬件也存在困難。量子計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在量子比特中，而制造量子比特的技術(shù)路線多種多樣，包括超導(dǎo)、離子阱、和光量子。有些技術(shù)需要冷卻到接近絕對零度，有些則可以在室溫下運(yùn)行。Hensinger預(yù)計(jì)，量子計(jì)算機(jī)將是一臺足球場大小的機(jī)器，但其他部件最終可能會(huì)安裝在汽車上，研究人員甚至無法就如何衡量量子計(jì)算機(jī)的性能達(dá)成一致。

量子比特可以處于不確定特征的“疊加”狀態(tài)，在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行算法，指導(dǎo)這些疊加態(tài)的演變。這種演變的量子規(guī)則允許量子比特相互作用，執(zhí)行經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能完成的計(jì)算。

不過，只有在具有大量量子比特的量子計(jì)算機(jī)上才有可能進(jìn)行有用的計(jì)算，而當(dāng)前量子比特?cái)?shù)量較少。更重要的是，量子比特及其相互作用必須能抵御熱振動(dòng)、宇宙射線、電磁干擾和其他噪聲源的影響帶來的誤差。這些干擾會(huì)導(dǎo)致計(jì)算所需的一些信息從處理器中泄漏出來，這種情況稱為“退相干”。這意味著要將大部分量子比特專用于糾錯(cuò)，以提高計(jì)算正確率。

這就是懷疑論者對研究量子計(jì)算極具挑戰(zhàn)的認(rèn)知。世界上量子比特?cái)?shù)量最多的量子計(jì)算機(jī)是IBM的Osprey，它有433個(gè)量子比特。華盛頓州雷德蒙德的微軟量子和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員表示，即使有200萬個(gè)量子比特，一些量子化學(xué)計(jì)算也可能需要一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。加利福尼亞州圣巴巴拉谷歌的科學(xué)家Craig Gidney和斯德哥爾摩KTH皇家理工學(xué)院的Martin Eker?于2021年發(fā)表的研究估計(jì)，在8小時(shí)內(nèi)破解最先進(jìn)的密碼學(xué)將需要2000萬個(gè)量子比特。

雖然2000萬個(gè)量子比特看起來遙不可及，但它比之前估計(jì)的10億個(gè)量子比特要少得多。微軟量子的研究員Michael Beverland認(rèn)為量子化學(xué)計(jì)算面臨的一些挑戰(zhàn)可以通過硬件突破來克服。

例如，Riverlane應(yīng)用和算法團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Nicole Holzmann和她的同事已經(jīng)證明，可以大大提高計(jì)算大約50個(gè)軌道電子基態(tài)能量的量子算法的效率。以前對這種算法運(yùn)行時(shí)間的估計(jì)是需要1000多年。但Holzmann和她的同事發(fā)現(xiàn)，通過對方案的調(diào)整，例如，改變算法任務(wù)在各種量子邏輯門周圍的分布方式，速度將提高大約5個(gè)數(shù)量級，可以將理論運(yùn)行時(shí)間縮短到幾天。Holzmann說：“其他方式還有很多，不同的選擇會(huì)帶來不同的結(jié)果。”

量子躍點(diǎn)

在IBM，Garcia開始利用這些優(yōu)勢。在許多方面，潛在的量子優(yōu)勢不限于涉及大量分子陣列的計(jì)算。

經(jīng)典計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)但在量子計(jì)算機(jī)上可能實(shí)現(xiàn)的小規(guī)模計(jì)算的一個(gè)例子是，找到光活性小分子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能量，這可以改進(jìn)半導(dǎo)體制造的光刻技術(shù)并徹底改變藥物設(shè)計(jì)。另一個(gè)是模擬單個(gè)氧分子的單重態(tài)和三重態(tài)，這是電池研究人員感興趣的方向。

今年2月，Garcia團(tuán)隊(duì)發(fā)表了關(guān)于锍離子（H3S）的量子模擬，該分子與三苯基锍（C+18H15S）有關(guān)，它是一種用于光刻的光酸發(fā)生器，可對某些波長的光發(fā)生反應(yīng)，了解其分子和光化學(xué)特性可以提升制造技術(shù)。當(dāng)團(tuán)隊(duì)開始這項(xiàng)研究時(shí)，計(jì)算似乎是不可能實(shí)現(xiàn)的，但過去三年量子計(jì)算的進(jìn)步使研究人員能夠使用相對有限的資源進(jìn)行模擬：在IBM的27個(gè)量子比特處理器Falcon上運(yùn)行H3S計(jì)算。

IBM團(tuán)隊(duì)的部分收獲是減少了量子計(jì)算的錯(cuò)誤。其中包括錯(cuò)誤緩解，使用類似于降噪耳機(jī)中的算法消除噪聲，以及糾纏鍛造，它識別了可以在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上分離和模擬的量子電路部分，而不會(huì)丟失量子信息。糾纏鍛造技術(shù)實(shí)際上是在去年才發(fā)明的，它有效地使可用的量子資源翻了一番。

澳大利亞悉尼大學(xué)量子物理學(xué)家Michael Biercuk是悉尼初創(chuàng)公司Q-CTRL的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人，他表示，這種操作調(diào)整已經(jīng)成熟，可以進(jìn)行探索。Biercuk的工作旨在更深入地挖掘量子電路與用于控制它們的經(jīng)典計(jì)算機(jī)之間的接口，并了解構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)的其他組件的細(xì)節(jié)。他表示還有很多發(fā)展空間，早期關(guān)于錯(cuò)誤和限制的報(bào)告比較淺顯，還可以解鎖硬件的額外性能，讓它做人們意想不到的事情。

Brierley指出，藥物發(fā)現(xiàn)和材料科學(xué)應(yīng)用可能需要量子計(jì)算機(jī)。五年前，這是量子計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行一百萬兆次無退相干操作，根據(jù)目前的估計(jì)，量子計(jì)算機(jī)將可以執(zhí)行一萬億次無退相干操作。

一些公司非常樂觀，甚至承諾在不久的將來提供有用的商業(yè)應(yīng)用。例如，總部位于赫爾辛基的初創(chuàng)公司Algorithmiq表示，它將在五年內(nèi)展示藥物開發(fā)和藥物發(fā)現(xiàn)的實(shí)際量子進(jìn)展。Algorithmiq的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官、赫爾辛基大學(xué)的物理學(xué)家Sabrina Maniscalco說：“我們對此充滿信心?！?/p>

漫長的進(jìn)程

除了Maniscalco，還有很多科學(xué)家認(rèn)為量子計(jì)算的第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用將是加速或更好地控制分子反應(yīng)。阿姆斯特丹數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)CWI的高級研究員Ronald de Wolf和東京富士通研究量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Shintaro Sato都表示，在未來五年內(nèi)最可能實(shí)現(xiàn)的是化學(xué)計(jì)算，因?yàn)樗馁Y源需求相對較低，可以使用量子比特?cái)?shù)量相對較少的量子計(jì)算機(jī)。

Biercuk說，在短期內(nèi)，量子計(jì)算也很可能應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)管理、材料科學(xué)和物流優(yōu)化等領(lǐng)域。當(dāng)然，研究人員的共識是，量子計(jì)算將有長期的、更具價(jià)值的應(yīng)用，包括量子機(jī)器學(xué)習(xí)。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法通過查找數(shù)據(jù)中的隱藏結(jié)構(gòu)和模式來執(zhí)行圖像識別等任務(wù)，然后創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，使算法能夠識別其他數(shù)據(jù)集中的相同模式，這需要大量的參數(shù)和大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。但是，量子機(jī)器學(xué)習(xí)需要的參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)要少很多。

在與韓國汽車制造商Hyundai合作的探索性工作中，北卡羅來納州達(dá)勒姆杜克大學(xué)的Jungsang Kim和位于馬里蘭州大學(xué)公園的IonQ公司的研究人員開發(fā)了量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以在實(shí)驗(yàn)室測試中區(qū)分十個(gè)道路標(biāo)志。他們基于量子的模型僅使用60個(gè)參數(shù)即可達(dá)到與使用59,000個(gè)參數(shù)的經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相同的精度。Kim說：“我們還需要更少的訓(xùn)練迭代，具有59,000個(gè)參數(shù)的模型至少需要100,000個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練它。但使用量子，需要的參數(shù)數(shù)量就非常少，訓(xùn)練也變得非常高效。雖然目前量子機(jī)器學(xué)習(xí)遠(yuǎn)不能超越經(jīng)典算法，但還有很大的探索空間?！?/p>

與此同時(shí)，在量子計(jì)算發(fā)展初期，可以驗(yàn)證量子算法和計(jì)算機(jī)的性能，以便研究人員可以確定他們未來會(huì)提供什么，Garcia說：“當(dāng)我們看到超越經(jīng)典的可能性時(shí)，信心就更足了?！?/p>

總部位于悉尼的初創(chuàng)公司Silicon Quantum Computing一直與金融和通信公司密切合作，該公司總裁Michelle Simmons也是悉尼新南威爾士大學(xué)的物理學(xué)家，他說：“大多數(shù)應(yīng)用程序的發(fā)展都不是一蹴而就的，但這不是問題，Silicon Quantum Computing是有耐心的投資者。”Riverlane也是如此，Brierley說?！叭藗兇_實(shí)明白，這是一場長期的比賽。”

Hensinger說：“這是一個(gè)緩慢的改進(jìn)過程，需要新想法的刺激，還需要聰明的程序員開發(fā)新算法?，F(xiàn)在真正重要的是建立一支擁有量子技能的研發(fā)隊(duì)伍?！?/p>

編譯：卉可

編輯：慕一

特此說明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點(diǎn)與數(shù)據(jù)。