量子計(jì)算不太可能取代當(dāng)今的經(jīng)典計(jì)算——至少在最初不是——而是對(duì)特定應(yīng)用的潛在補(bǔ)充。德勤2021年的一份報(bào)告列出了許多可以通過量子計(jì)算方法轉(zhuǎn)變的應(yīng)用程序：蛋白質(zhì)折疊、流體模擬、信用承保、金融風(fēng)險(xiǎn)分析、供應(yīng)鏈優(yōu)化和預(yù)測(cè)、車輛路線、欺詐檢測(cè)、故障分析、天氣預(yù)報(bào)、半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組合優(yōu)化、消費(fèi)產(chǎn)品推薦——這只是列表的一半。

量子計(jì)算可以使以前難以處理的模擬、搜索和優(yōu)化計(jì)算變得相對(duì)容易和快速。對(duì)于某些類型的計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)可能比強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)要快得多。雖然今天運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以做出令人難以置信的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但從理論上講，基于量子的系統(tǒng)在某些與預(yù)測(cè)相關(guān)的任務(wù)上可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它們的速度。

量子計(jì)算機(jī)背后的物理學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的融合令人著迷，但也很復(fù)雜。計(jì)算機(jī)科學(xué)家ScottAaronson是最好的科學(xué)傳播者之一，他最近為Quanta雜志寫了一篇文章，題為“為什么量子計(jì)算如此難以解釋?”

簡(jiǎn)單地說，量子計(jì)算機(jī)是圍繞“量子位”構(gòu)建的，量子位是亞原子級(jí)組件，通常保持在極低的溫度(想想：絕對(duì)零)，以最大限度地減少來自宇宙其他部分的干擾。這些組件可以進(jìn)入一種稱為“疊加”的量子物理狀態(tài)，從某種意義上說，允許它們同時(shí)具有許多潛在值。盡管它們的價(jià)值不確定，但可以在這些量子位上進(jìn)行可靠的計(jì)算和轉(zhuǎn)換，同時(shí)在被降低到更經(jīng)典的狀態(tài)之前處于疊加狀態(tài)，從而有效地并行化計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)中的量子位也可以相互糾纏(愛因斯坦將這種現(xiàn)象稱為“遠(yuǎn)距離幽靈般的動(dòng)作”)，將它們作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)加以利用，以增加可以計(jì)算的邏輯計(jì)算的多樣性。對(duì)于某些類型的數(shù)學(xué)——例如，從無數(shù)選項(xiàng)中尋找最佳結(jié)果——與在經(jīng)典計(jì)算硬件上運(yùn)行的算法相比，量子算法似乎幾乎是瞬時(shí)的。

量子計(jì)算挑戰(zhàn)

公開可用的量子計(jì)算已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，但對(duì)于能夠廣泛采用的產(chǎn)品何時(shí)發(fā)布，系統(tǒng)將采用何種形式，或者量子計(jì)算的影響將有多大和深度，仍然沒有可靠的預(yù)測(cè)。要使廣泛適用的量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模發(fā)揮作用，存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。量子計(jì)算機(jī)正在與經(jīng)典計(jì)算機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，后者在功能、多功能性和易用性方面也得到了非常迅速的提升。

量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要瓶頸是，正確讀取量子計(jì)算的結(jié)果很容易出現(xiàn)非常高的錯(cuò)誤率——在正確的結(jié)果作為輸出呈現(xiàn)之前，微妙的疊加態(tài)可能會(huì)惡化。

亞倫森解釋說：

簡(jiǎn)而言之，問題是退相干，這意味著量子計(jì)算機(jī)與其環(huán)境之間不需要的相互作用——附近的電場(chǎng)、溫暖的物體和其他可以記錄量子位信息的東西……這個(gè)問題唯一已知的解決方案是量子誤差更正……但研究人員現(xiàn)在才開始在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行這種糾錯(cuò)工作。當(dāng)您閱讀有關(guān)50或60個(gè)物理量子位的最新實(shí)驗(yàn)時(shí)，重要的是要了解量子位未經(jīng)過糾錯(cuò)。在它們出現(xiàn)之前，我們不希望能夠擴(kuò)展到數(shù)百個(gè)量子位。

一些理論家甚至認(rèn)為，不可能建造實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)?ldquo;系統(tǒng)中的噪聲”本來就很高。數(shù)學(xué)家GilKalai預(yù)測(cè)，根據(jù)基本計(jì)算定理，通過進(jìn)行糾錯(cuò)以將噪聲降低到可用水平，會(huì)限制計(jì)算機(jī)的數(shù)字運(yùn)算能力低到不值得使用。

盡管如此，研究人員仍在繼續(xù)應(yīng)對(duì)糾錯(cuò)的挑戰(zhàn)，并通過關(guān)鍵的技術(shù)里程碑。例如，7月，谷歌研究人員在Nature上發(fā)表了一篇論文，解釋了他們?nèi)绾握业揭环N有前途的減少錯(cuò)誤的方法，該方法可以隨著更多量子位添加到系統(tǒng)中而擴(kuò)展。

硬件、軟件和應(yīng)用程序景觀

量子硬件有幾種不同的方法。Rigetti和Oxford QuantumCircuits使用超導(dǎo)量子電路，谷歌、微軟和IBM也青睞這種更廣泛的方法。IonQ(計(jì)劃通過SPAC交易上市)和霍尼韋爾(最近宣布將其量子計(jì)算單元與英國(guó)劍橋量子計(jì)算相結(jié)合)使用俘獲離子。D-Wave使用量子退火，ColdQuanta使用冷原子，Xanadu使用光子學(xué)。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，每種硬件技術(shù)在達(dá)到可承受的規(guī)模方面都面臨著一系列不斷變化的瓶頸。材料層的工作也在繼續(xù)推進(jìn)，例如，RaicolCrystals正在開發(fā)量子準(zhǔn)相位匹配晶體，可用于量子計(jì)算、傳感、加密和通信等各種應(yīng)用。并且不確定在解決糾錯(cuò)和價(jià)格挑戰(zhàn)方面不會(huì)有另一種方法可以超越他們。

其他公司，例如Quantum Machines、Q-CTRL和Seeqc，正在構(gòu)建可以在經(jīng)典硬件和量子硬件之間運(yùn)行的控制硬件?？刂葡到y(tǒng)可以存在于高于絕對(duì)零但低于室溫的溫度下。其中一些系統(tǒng)涉及軟件和硬件，可以執(zhí)行諸如監(jiān)控量子處理器性能、執(zhí)行糾錯(cuò)或充當(dāng)連接經(jīng)典硬件和量子硬件的抽象層等任務(wù)。

還有一些公司正在開發(fā)量子計(jì)算應(yīng)用層軟件，如ZapataComputing、Riverlane或QCWare。這可以包括應(yīng)用程序框架、組件、算法甚至統(tǒng)包量子計(jì)算應(yīng)用程序。Classiq有用于量子電路合成的軟件。在量子計(jì)算和人工智能之間的軟件交叉點(diǎn)上也發(fā)生了許多有趣的基礎(chǔ)研究——例如。Zapata最近發(fā)表了使用IonQ的離子阱量子系統(tǒng)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)以生成低錯(cuò)誤率的高質(zhì)量手寫數(shù)字的工作。

數(shù)學(xué)家PeterShor于1994年提出的量子計(jì)算的第一個(gè)理論用途之一是破解當(dāng)今廣泛用于保護(hù)數(shù)據(jù)的RSA加密。這一威脅催生了對(duì)后量子密碼學(xué)的研究，研究人員提出了多種新的加密方法，這些方法需要取代當(dāng)今的算法以保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私。ISARA(抗量子加密)和QuantumXchange(帶外對(duì)稱密鑰交付平臺(tái))等公司的出現(xiàn)幫助政府和公司為現(xiàn)在基于量子的加密破解算法開始工作的世界做好準(zhǔn)備打破今天的加密。

有幾種廣泛使用的軟件開發(fā)工具包(SDK)，可讓開發(fā)人員為量子計(jì)算機(jī)編寫軟件，而無需實(shí)際運(yùn)行它。事實(shí)上，量子計(jì)算開發(fā)環(huán)境之間已經(jīng)爆發(fā)了一種格式戰(zhàn)爭(zhēng)。

一個(gè)廣泛使用的量子SDK是IBMQISKit，這是一種基于Python的開源開發(fā)工具包，用于在模擬器或IBMQuantumExperience(一種基于云的量子服務(wù))上制作原型軟件和設(shè)備。?？松梨凇⒏呤?、波音、摩根大通、三星和PayPal只是IBMQuantum的幾個(gè)大客戶。另一個(gè)基于Python的開發(fā)工具包GoogleCirq將大眾汽車吹捧為用戶，大眾汽車也是谷歌TensorFlowQuantum的貢獻(xiàn)者，這是一個(gè)開源庫，可將谷歌的TensorFlow機(jī)器學(xué)習(xí)算法擴(kuò)展到量子處理器以進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)。微軟的量子開發(fā)工具包(QDK)基于微軟的Q#編程語言，為微軟Azure云服務(wù)帶來量子兼容性。AzureQuantum的早期客戶包括化學(xué)模擬的陶氏化學(xué)和豐田通商，豐田的貿(mào)易部門，開發(fā)交通燈優(yōu)化以減少城市交通擁堵。

在最近的一篇文章中，The Information指出，“亞馬遜希望在其亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)云業(yè)務(wù)中招聘100多名新的量子計(jì)算科學(xué)家、硬件開發(fā)人員和工程師”，因?yàn)榇罅抠Y金流向該領(lǐng)域的初創(chuàng)公司，例如如量子運(yùn)動(dòng)、原子計(jì)算和PsiQuantum。亞馬遜還推出了AmazonBraket，這是一項(xiàng)完全托管的量子計(jì)算服務(wù)，讓客戶可以訪問來自IonQ、Rigetti和D-Wave等各種供應(yīng)商的硬件。

也有可能最有價(jià)值的量子平臺(tái)根本不是多功能的水平平臺(tái);相反，該空間可以演變?yōu)榘▽Ｓ脵C(jī)器或量子專用集成電路(ASIC)。與經(jīng)典計(jì)算不同的是，這可能意味著量子計(jì)算機(jī)將是高度專業(yè)化的集成硬件和軟件機(jī)器，專為特定應(yīng)用程序量身定制，例如流體模擬或欺詐檢測(cè)。

早期用例可能涉及量子系統(tǒng)作為更大的經(jīng)典系統(tǒng)的一部分扮演特殊角色，類似于NVIDIA的圖形處理單元(GPU)，通常與高級(jí)CPU一起運(yùn)行，可用于卸載GPU擅長(zhǎng)的特定計(jì)算-適合。在這個(gè)模型中，量子組件是經(jīng)典系統(tǒng)的“加速器”，信用承銷商可能會(huì)使用量子處理器來處理對(duì)申請(qǐng)人進(jìn)行評(píng)分所涉及的任務(wù)之一，并可能使用不同的專用量子處理器來執(zhí)行計(jì)算以優(yōu)化其借款人投資組合。

對(duì)于許多用例，計(jì)算的錯(cuò)誤率仍然太高，開發(fā)人員只能在量子模擬平臺(tái)上磨練他們的編碼能力，等待量子計(jì)算機(jī)開始真正大規(guī)模地工作。量子模擬器，例如QMware，讓量子軟件算法和應(yīng)用程序相信它們是在實(shí)際的量子硬件上運(yùn)行，但它們實(shí)際上是在假裝是量子計(jì)算機(jī)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

與此同時(shí)，為了管理一些時(shí)間上的不確定性，量子相關(guān)的初創(chuàng)公司現(xiàn)在可以與政府、企業(yè)和大學(xué)買家一起尋求有利可圖的項(xiàng)目，作為資金和需求的來源。像一些生物技術(shù)初創(chuàng)公司一樣，他們可以在組建一支強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)并尋找早期采用者客戶的同時(shí)，通過科學(xué)里程碑取得進(jìn)展，同時(shí)關(guān)注未來的商業(yè)市場(chǎng)。

普遍可用的量子計(jì)算機(jī)的障礙與替代能源面臨的障礙非常相似：釋放潛力需要硬件設(shè)計(jì)的突破、降低制造成本以及推動(dòng)大規(guī)模采用的驅(qū)動(dòng)力。而且很多方法都行不通。

與任何技術(shù)一樣，當(dāng)然，軟件開發(fā)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)人們今天還沒有想到的量子處理器的有價(jià)值的應(yīng)用程序——正如開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)用于處理圖形處理的GPU在訓(xùn)練高度并行化方面也表現(xiàn)出色機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

也就是說，廣泛有用和有效的量子計(jì)算機(jī)的到來有可能與互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)建或使用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行預(yù)測(cè)一樣具有破壞性的機(jī)會(huì)。