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构建实用量子计算机
来源:盖蒂图片社
研究人员已经对量子计算进行了数十年的推测，但近年来，实验取得了稳步进展，同时也有理论证明，量子计算可以高效地完成传统计算设备无法完成的事情。该领域吸引了来自政府研究机构、科技巨头以及初创公司的数十亿美元资金。传统公司也在探索量子计算的潜在影响。
尽管有这样的兴奋，包括成功的传感设备，量子计算还没有做出实际的贡献。此外，在物理实现量子比特(即量子位)的各种不同方案中，仍然没有赢家。它们中没有一个“足够好”来实现超级计算机规模的计算，而且它们都面临着低错误率和大设备计数的主要障碍。
即使乐观地说，实现大规模的、纠错的量子计算也需要很多年的时间。在此期间，研究人员和公司正在寻求利用现有的小型、不太可靠的系统。
量子的承诺
一个计算系统可以用每一个额外的比特表示的可能状态的数量，但是一个“经典”系统一次只能处于一种状态。原则上，一组量子位可以同时探索更多的组合，因为每个组合可以是0和1的混合体。
数字IBM的Q System One量子计算机。
然而，利用这种“叠加”需要量子位操作，最终以非常高的概率处于解决目标问题的状态。20世纪90年代，独立的贝尔实验室研究人员设计了两种这样的算法。目前还没有什么新的提议，但其中一个早期的提议，彼得·肖尔的大数分解方案，已经引起了密码学的持续关注。
然而，即使在实验室里，这种精细的操作也是极其困难的。除非所有量子位之间的一致性在整个操作序列中得到建立和精确地维持，否则这个过程就会失败。
候选量子位——包括原子、离子、晶体缺陷、光子和超导电路——对环境中的波动非常敏感，这些波动会迫使它们过早地进入一种或另一种经典状态。每个领域的专家都在努力降低错误率，这样就可以在错误发生之前，在更多的量子位上完成更多的操作。
一个主要的候选者是超导电路，它通过超导体中电子的集体运动来编码量子比特。这些平面电路可以利用可扩展的集成电路制造技术来制造和连接二维量子比特阵列——目前有大量的量子比特被巨型公司谷歌和IBM以及专门的Rigetti公司展示。
过度的错误
然而，维持超导量子比特需要将它们冷却到毫微温度——比绝对零度高出千分之一度。Booz, Allen and Hamilton的D. Scott Holmes是国际设备与系统路线图(IRDS)低温电子与量子信息处理章节的主席，他说，在这种温度下，去除产生的热量是非常低效的，需要10亿瓦特的量级才能去除一瓦特的热量。大型集中设施的冷却技术正在改进。霍姆斯说:“对于制冷来说，有规模经济，所以对于低温电子产品来说，它让你远离智能手机，走向大规模应用。”
其他量子比特实现可能更适合分布式或可移植应用程序。例如，IonQ或Quantum(霍尼韦尔量子解决方案公司和剑桥量子公司最近合并的公司)所追求的捕获离子不需要超低温，尽管它们使用高真空来减少碰撞和离子逃逸。杜克大学(Duke University)电子与计算机工程教授、IonQ顾问肯尼思·布朗(Kenneth Brown)说，半导体式的制造方法可以为短离子链制造可控阱。有几种方案可以使用激光来操纵、冷却和探测离子的量子态，甚至耦合广泛分离的离子，但大规模实现光学将是一个挑战。
误差修正
所有的量子比特候选者都面临着扩大规模的重大工程和技术挑战，这也是目前还没有一个人明显胜出的原因之一。尽管如此，“在过去的十年中，所有的量子计算技术都将误差降低了一个数量级，”布朗说。“我还没有看到任何硬性限制。”
尽管如此，错误率仍然很高。加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)物理学教授约翰·马提尼斯(John Martinis)说:“如果你看看现在的机器，你会发现错误率只有1%左右。”低错误率，10−3甚至更好，但马丁尼担心它们可能不具有代表性。无论如何，他说，“如果你要制造一台大型计算机，这是不够的。”
微软一直在资助研究被称为“拓扑量子位”的准粒子，这种准粒子应该更不容易出现噪声引起的错误。不幸的是，诱导材料中的电子结合形成这种准粒子还没有得到明确的证明。
大型系统将需要实现量子纠错。与经典比特相比，在计算过程中简单地测量和修正冗余的量子位，就会抹去量子信息。然而，同样在20世纪90年代，肖尔表明，在它们的关系中添加额外的量子位和编码信息可以在不过早暴露数据的情况下纠正错误。
当前的错误率需要大量额外的量子位来校正，在某些情况下，每个受保护的“逻辑”量子位对应1000个物理量子位。
不幸的是，当前的错误率需要大量额外的量子位来校正，在某些情况下，每个受保护的“逻辑”量子位对应1000个物理量子位。一个真正的量子计算机将需要大约100万个物理量子位，远远超过预期的100个量子位。
即使超导电路以每年翻倍的速度超越摩尔定律(与IBM和谷歌公布的大致相似的路线图相一致)，达到所需的规模也需要十多年的时间。对于其他技术，预测甚至更具投机性。霍姆斯指出:“制定路线图真的很难，”对于评估进展的最佳指标，人们的共识也有限。
NISQ时代?
对十年规模回报的担忧，推动了近期应用的兴趣，可以使用噪声、中等规模的量子电路(NISQ)。事实上，这样的设备在经过精心挑选的计算(也被称为“量子霸权”)中，使实验证明了“量子优势”优于经典计算机。2019年，谷歌(在当时的团队成员Martinis领导的一个项目中)用超导电路做了第一个这样的实验，中国的一个小组在2021年声称在光子器件上拥有量子优势。
以色列耶路撒冷希伯来大学的数学家和计算机科学家Gil Kalai反驳了这些说法。此外，NISQ机器只能解决“一个非常非常原始的小子类”中的问题，Kalai说。“构建量子纠错代码就更困难了。”一些物理学家还质疑，量子系统是否会过于混乱，以至于无法进行复杂的计算。
尽管这种深刻的怀疑并不普遍，但量子实验尚未证明有用的计算在性能或成本上优于当前的超级计算机。布朗问道:“什么样的设备能让我们在实际问题或科学问题上击败传统计算机?”“我们只是不知道。”
谷歌的研究人员朱利安·凯利说:“目前还没有人有一个完整的商业模式来解决这些计算机的棘手应用。”他强调，“我们的赌注是在长期和错误纠正上。”谷歌的大部分研究和开发都旨在系统地朝着这个遥远的目标努力。
尽管如此，许多研究人员和企业也在探索NISQ的潜在应用，政府机构也是如此。几家公司向公众提供与量子计算机接口的传统电子设备的远程访问。
一个突出的候选应用是计算分子或固体的电子性质。事实上，材料的量子模拟启发了物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)早期提出的量子计算，小分子和奇异的量子相已经被成功建模。
NISQ计算机也可以用于加速优化，例如在资源调度方面。德勤的Scott Buchholz指出，尽管存在不确定性，许多有远见的公司正在通过探索技术的能力来对冲风险。“人们正在关注我们如何真正利用这些东西来改善技术和业务成果。”
十多年来，优化一直是非同寻常的量子计算机公司D-Wave的目标。与大多数通过一系列“门”操作处理数据的系统不同，他们的机器同时对数千个超导量子比特进行“退火”，以找到全局最优解。然而，许多专家仍然质疑它的操作是否真的是量子力学的，还是一个真正的进步。该书的合著者西姆森·加芬克尔(Simson Garfinkel)说:“与传统计算机相比，我找不到D-Wave性价比更高的应用程序。量子时代的法律与政策．
走的距离
国家对量子计算的持续大量投资部分是出于对落后于其他国家的担忧。例如，政府安全机构担心因式分解能力会破坏安全通信。然而，加芬克尔和他的合著者、加州大学伯克利分校的法律专家克里斯·胡夫纳格尔在他们最近的一本书中指出，256位的对称AES加密可以避开任何合理的量子机器。
国家对量子计算的持续大量投资部分是出于对落后于其他国家的担忧。
他们还指出，如果低成本的应用程序迟迟不来，可能会侵蚀量子计算的资金。一种可能的情况是该领域进入“冬季”，就像过去几十年限制人工智能热情的情况一样。
布赫兹承认:“事情总是有可能不顺利，”他补充说，“有足够多的聪明人，有足够多的资金投入到这个项目中，我对此非常乐观。”他说，有这么多不同的量子比特方法，“只需要其中一种方法起作用。”
进一步的阅读
国际设备与系统路线图™2021年:低温电子与量子信息处理，https://bit.ly/3HaUWBx
量子硬件展望2020，基于事实的洞察，https://www.factbasedinsight.com/quantum-hardware-outlook-2020/
c.j.胡夫纳格尔和S.L.加芬克尔
量子时代的法律与政策，剑桥大学出版社，2021年11月，https://bit.ly/33MFYEg
Buchholz, S, Golden, D.和Brown, C.。
商业领袖的量子技术指南，德勤洞察，2021年4月15日，https://bit.ly/3BJnilb
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Aswani Kumar Cherukuri
企业层面的QC建设任重而道远，需要学术界和产业界的共同努力才能缩短时间。
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