量子計算機(jī)的發(fā)展在過去十年中穩(wěn)步推進(jìn)，這得益于利用量子物理學(xué)獨(dú)特特性的承諾：量子比特（qubits）以 0 或 1 的形式存在，或者同時以 0 和 1 的形式存在。

多家公司現(xiàn)在通過 Amazon Web Services、Google Cloud 和 Microsoft Azure 等云平臺提供量子應(yīng)用程序即服務(wù)。

部署量子計算機(jī)需要多種技術(shù)，因此更難預(yù)測該技術(shù)何時實(shí)用。隨著發(fā)展步伐的加快，許多專家仍然堅信，實(shí)用的量子計算機(jī)至少還需要十年的時間。

作為背景，美國政府問責(zé)局 （GAO） 的一份報告審查了量子計算的現(xiàn)狀和前景。本專欄主要借鑒了 GAO 報告。

模擬與量子比特門

物理量子比特是基本的構(gòu)建塊。有兩種主要的量子計算方法：模擬和基于門的量子計算機(jī)。下表總結(jié)了兩種技術(shù)之間的差異。

物理量子比特包括天然存在的粒子和人造結(jié)構(gòu)。前者包括原子、俘獲離子和光子。俘獲離子和光子是該領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)。

人工物理量子比特模擬自然產(chǎn)生的粒子，創(chuàng)建量子比特門。量子門類似于傳統(tǒng)計算機(jī)中的邏輯門。

此類別包括超導(dǎo)電路、量子點(diǎn)和晶體缺陷。一個例子是鉆石碳晶格中的氮原子，稱為色心。超導(dǎo)電路在這一類別中占主導(dǎo)地位。

在從量子位設(shè)計量子計算機(jī)時，已經(jīng)開發(fā)出操縱量子特性并將多個量子位相互糾纏的技術(shù)。這些操作是通過激光、微波、電場或磁場以及其他方法完成的。示例列在上表的底部。

量子挑戰(zhàn)

穩(wěn)步發(fā)展可能很快會產(chǎn)生具有數(shù)千個量子比特的量子機(jī)器，并在 2030 年后接近 100 萬個量子比特。這樣的進(jìn)步將極大地擴(kuò)大云服務(wù)提供商、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)的部署。

下表總結(jié)了量子開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)。下面的部分概述了部署挑戰(zhàn)。

糾纏是量子力學(xué)的一個關(guān)鍵特征，允許連接的量子比特相互作用。在一個例子中，例如，使用一個量子位進(jìn)行測量可以揭示有關(guān)其他連接的量子位的信息。

疊加是另一個關(guān)鍵特征。一個量子比特同時作為所有可能狀態(tài)的組合存在。糾纏和疊加為量子計算機(jī)提供了傳統(tǒng)二進(jìn)制計算機(jī)無法提供的額外處理能力。

維持量子比特糾纏是另一個技術(shù)挑戰(zhàn)。當(dāng)糾纏消失時，量子計算不再有效。

有多種技術(shù)可以保持糾纏。量子比特與環(huán)境噪聲隔離是第一步。在超導(dǎo)溫度下運(yùn)行量子比特可顯著降低環(huán)境噪聲。容錯是系統(tǒng)級別的另一種策略。

一些量子技術(shù)對環(huán)境噪聲具有內(nèi)在的耐受性。俘獲離子方法似乎在該領(lǐng)域優(yōu)于超導(dǎo)技術(shù)。

糾纏噪聲問題通常稱為退相干。當(dāng)量子計算機(jī)向周圍環(huán)境丟失信息時，就會發(fā)生這種情況，因為系統(tǒng)松散地耦合到其周圍環(huán)境的活動狀態(tài)。量子比特必須保持一致性，量子機(jī)器才能正常運(yùn)行。

由于依賴于量子比特狀態(tài)的不受干擾的演化，退相干仍然是量子實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。相干性的保持和退相干效應(yīng)的減輕與量子糾錯的概念有關(guān)。人們普遍認(rèn)為，支持一系列量子應(yīng)用的有意義的部署需要糾錯。

此外，量子信息無法復(fù)制，測量會破壞信息，從而阻礙經(jīng)典糾錯技術(shù)的實(shí)施。量子糾錯技術(shù)已被證明，但實(shí)施起來具有挑戰(zhàn)性。糾錯程序適用于許多容易出錯的物理量子位。這些量子程序與傳統(tǒng)處理技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)建了模擬穩(wěn)健、穩(wěn)定的量子位（稱為邏輯量子位）的系統(tǒng)。

當(dāng)前的量子平臺還表現(xiàn)出緩慢的 I/O 數(shù)據(jù)速率。未來的量子計算機(jī)將需要更快的數(shù)據(jù)速率來支持要求苛刻的量子應(yīng)用程序。緩慢的 I/O 速率會降低整體利用率，因此量子計算在云服務(wù)等領(lǐng)域的價值會下降。

最小化退相干需要接近絕對零的操作，最初限制了企業(yè) IT 應(yīng)用程序的量子部署。在室溫附近運(yùn)行的量子技術(shù)將有助于擴(kuò)大部署。

至少有六種不同的量子技術(shù)正在使用或開發(fā)中，其他的也即將出現(xiàn)。技術(shù)戰(zhàn)很少有利于培育新的細(xì)分行業(yè)，造成市場不確定性。潛在用戶通常會延遲部署，直到出現(xiàn)明顯的贏家。新興的量子產(chǎn)業(yè)將受益于一兩種領(lǐng)先技術(shù)的出現(xiàn)。

當(dāng)前的量子比特制造基礎(chǔ)設(shè)施和供應(yīng)鏈?zhǔn)怯邢薜摹Ｃ颗_機(jī)器將需要數(shù)千個物理量子比特，到 2025 年將增長到數(shù)十萬個量子比特。到 2030 年，最先進(jìn)的機(jī)器可能包含 100 萬個或更多物理量子比特。

投資于物理量子比特制造和供應(yīng)鏈的開發(fā)人員將成為量子應(yīng)用部署的領(lǐng)導(dǎo)者。一旦當(dāng)前的芯片短缺消退，如果超導(dǎo)專家能夠利用半導(dǎo)體行業(yè)的晶圓廠產(chǎn)能，他們可能會有優(yōu)勢。

量子計算機(jī)還需要跨多個級別的許多軟件平臺的廣泛生態(tài)系統(tǒng)，包括量子算法和應(yīng)用程序。將需要用于開發(fā)、測試和驗證量子應(yīng)用程序的軟件開發(fā)工具包。其他要求包括以量子為中心的語言、編譯器和其他專注于獨(dú)特且要求苛刻的量子應(yīng)用的開發(fā)工具。

開發(fā)量子應(yīng)用程序的軟件將在 PC 或云平臺上運(yùn)行。

利用開源軟件將有助于降低開發(fā)成本?？缍啻筒煌孔蛹夹g(shù)??的硬件抽象也將減少開發(fā)時間和成本。

當(dāng)前的量子系統(tǒng)非常昂貴：GAO 報告估計每個物理量子位需要 10，000 美元。不成熟的技術(shù)預(yù)計成本會很高，尤其是復(fù)雜的量子設(shè)計。新版本和非常低的產(chǎn)量只會增加這些成本。新的投資和不斷增長的產(chǎn)量將有助于扭轉(zhuǎn)這些趨勢。更多的戰(zhàn)略規(guī)劃和合作也將有所幫助。

量子應(yīng)用

當(dāng)前的應(yīng)用程序往往集中在幾個部分，如下表所示，主要來自 GAO 的評估。

糾纏和疊加的特性為量子應(yīng)用創(chuàng)造了獨(dú)特的機(jī)會，否則這些應(yīng)用需要大量時間才能執(zhí)行——即使在超級計算機(jī)上也是如此。

隨著未來十年量子能力的發(fā)展，應(yīng)用范圍有望擴(kuò)大。隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，用戶將找到使用量子計算機(jī)的新方法。

優(yōu)化問題也很適合量子技術(shù)。優(yōu)化意味著找到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的最佳決策或行動。在量子計算機(jī)上運(yùn)行的可用算法可以改進(jìn)優(yōu)化方法。示例包括投資策略、最小化供應(yīng)鏈成本以及確定太陽能、風(fēng)能和其他可持續(xù)能源裝置的最佳位置。只有 50 個物理量子比特的機(jī)器可以為簡單的優(yōu)化問題提供優(yōu)于經(jīng)典計算機(jī)的優(yōu)勢。

隨著人工智能的出現(xiàn)，量子技術(shù)可用于加速機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用于通過增強(qiáng)遺傳數(shù)據(jù)篩選來檢測疾病等應(yīng)用。

量子計算機(jī)目前無法處理機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序所需的大量數(shù)據(jù)。解決方案可能是混合機(jī)器，通過拆分計算以匹配量子和二進(jìn)制計算機(jī)的能力來解決問題。這將需要新的軟件和協(xié)議來相應(yīng)地分配任務(wù)。

量子計算機(jī)似乎能夠以指數(shù)級更少的步驟分解大量數(shù)字，比經(jīng)典計算機(jī)快得多。對數(shù)字進(jìn)行因式分解意味著找到一組唯一的素數(shù)，這些素數(shù)可以相乘以產(chǎn)生指定的結(jié)果。在經(jīng)典計算機(jī)上，因式分解需要很長時間。

Rivest-Shamir-Adleman （RSA） 等加密算法依賴于此限制。因此，當(dāng)量子計算機(jī)快速分解大量數(shù)字時，加密方法將變得脆弱。RSA 加密可能需要具有超過 100 萬個物理量子比特的機(jī)器，包括糾錯技術(shù)。

量子技術(shù)也可以用于檢驗物理理論，揭開宇宙的奧秘。此外，量子計算應(yīng)用程序可用于分析來自高能物理實(shí)驗的數(shù)據(jù)。

多少個量子比特？

與經(jīng)典計算機(jī)相比，提供顯著改進(jìn)所需的物理量子比特的數(shù)量因應(yīng)用而異。

IBM 最近的量子公告提供了量子縮放的一瞥。其 Eagle 量子處理器目前包括 127 個量子位，高于 2020 年發(fā)布的 Hummingbird 機(jī)器上的 65 個。IBM 的量子位路線圖包括計劃于 2022 年推出的 433 量子位 Osprey 處理器和計劃于 2023 年推出的 1，121 量子位處理器，稱為 Condor。

下表基于 GAO 數(shù)據(jù)總結(jié)了不同應(yīng)用的量子比特要求。

可用的量子計算機(jī)包括不到 100 個量子位。主要應(yīng)用包括開發(fā)、測試和推進(jìn)量子技術(shù)。有些在公共云平臺上可用。

少于 100 個物理量子比特的機(jī)器可以解決簡單的化學(xué)計算，并可能為一些優(yōu)化問題提供優(yōu)勢。

具有 1，000 個物理量子比特的量子計算機(jī)可以增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化問題。

基于云的量子能力仍將是 1，000 量子比特的領(lǐng)先部署機(jī)會。個別公司將需要大量此類機(jī)器。根據(jù) IBM 的預(yù)測，這種情況可能會在 2023 年出現(xiàn)。

隨著物理量子比特的數(shù)量向 100，000 增加，應(yīng)用范圍也在增加。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)和相關(guān)的人工智能應(yīng)用和模型將會擴(kuò)展。

IBM 要在 2030 年達(dá)到 100，000 量子比特的里程碑，需要每年增長 90%。到 2023 年，IBM 的量子比特年增長率為 158%。因此，到 2030 年達(dá)到 100，000 個量子比特似乎是一個合理的賭注。

除此之外，量子部署將會起飛，因為可以更準(zhǔn)確地解決更多問題。分解大量數(shù)字或模擬藥物分子可能需要超過 100 萬個物理量子位。發(fā)生這種情況時，當(dāng)前的加密算法將不再安全。

底線

量子計算技術(shù)在過去五年中取得了進(jìn)步，并有望在未來五年內(nèi)進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù) PitchBook 財務(wù)數(shù)據(jù)庫，2021 年風(fēng)險投資大幅增加，投資額超過 10 億美元，超過前三年的總投資。

Quantum 將主要增強(qiáng)當(dāng)前的計算機(jī)，很少取代當(dāng)今的機(jī)器。新的量子技術(shù)將快速發(fā)展，創(chuàng)新應(yīng)用將得到發(fā)展。隨著技術(shù)部署在幾年內(nèi)加速，由經(jīng)典計算機(jī)和量子計算機(jī)組成的混合系統(tǒng)將出現(xiàn)。

化學(xué)模擬可能是量子計算機(jī)影響最大的應(yīng)用。這包括從藥物發(fā)現(xiàn)到電池技術(shù)進(jìn)步的各種應(yīng)用。