量子計(jì)算，它是什么以及我們?yōu)槭裁匆P(guān)心它？

雖然量子計(jì)算聽起來像是科幻小說中的概念，但許多專家認(rèn)為它只是技術(shù)進(jìn)步的下一個必然步驟。在人工智能 (AI) 占據(jù)所有頭條新聞的同時，各國也在悄悄投入數(shù)十億美元用于量子研究，每個國家都希望成為第一個量子超級大國。

我們采訪了《嬰兒量子計(jì)算》一書的作者 William Hurley (Whurley)，他是該領(lǐng)域的一位遠(yuǎn)見卓識者，他的使命是將量子硬件連接到可以使用它們的組織。

問：Whurley，你在職業(yè)生涯中做過很多不同的事情，從早年在 Apple 和 IBM 等科技巨頭公司擔(dān)任工程師，到自己成為一名企業(yè)家。那么，為什么是量子？

答：人們總是在尋找下一個“范式轉(zhuǎn)變”，但它往往被夸大和夸大了。但就量子計(jì)算而言，事實(shí)并非如此。事實(shí)上，將其稱為范式轉(zhuǎn)變有點(diǎn)輕描淡寫。這是非常前沿的東西，它超級、超級酷，它將在很多很多方面改變世界。

問：首先，我想聽聽您定義什么是量子計(jì)算會很有幫助。

答：在基本層面上，想想拋硬幣——在平面上拋硬幣是正面還是反面。如果是正面，就是一個；如果是尾巴，則為零。這就是您可以想到的古典建筑。量子計(jì)算就像拋向空中的硬幣。它處于一、零或兩者的恒定狀態(tài)。我們不知道它是什么，直到我們把它停下來。關(guān)于量子計(jì)算，你聽到的第一件事就是經(jīng)典比特已經(jīng)死了，量子計(jì)算將取代經(jīng)典計(jì)算，它將永遠(yuǎn)改變世界。我認(rèn)為它可能有一天會做那些事情；但就目前而言，將量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)更多地視為 GPU、云處理器或協(xié)處理器。

問：那么，量子計(jì)算機(jī)是什么樣子的？我正在設(shè)想一個機(jī)械臂拋硬幣！

答：哈。好吧，不完全是。目前有三種類型的量子計(jì)算機(jī)：

量子退火爐。退火器是元啟發(fā)式的。他們使用磁場以絕熱方式（緩慢地）將一種量子態(tài)演變成另一種代表您要解決的問題的量子態(tài)。

電路門模型。電路門模型的工作方式有點(diǎn)像您在經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過對量子位應(yīng)用一系列操作所習(xí)慣的工作方式。

拓?fù)淠Ｐ?。拓?fù)淞孔佑?jì)算是一些真正的黑魔法。

盡管有幾種不同的方法來創(chuàng)建量子位，但它們看起來都非常相似——一個大圓柱體，或者在 D-Wave 的情況下，一個立方體。如果你看一下量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)部，它們看起來就像一個大房間，里面有一盞巨大的枝形吊燈。吊燈的最底部是真正的量子計(jì)算機(jī)。該結(jié)構(gòu)的其余部分用于將粒子冷卻至 5mK 至 15mK 之間的任何位置。

問：量子計(jì)算是從什么時候開始流行的？

A：量子計(jì)算實(shí)際上已經(jīng)存在了很長時間。這個概念本身是在 1982 年創(chuàng)造的，但它可以追溯到更早的時候。在 1927 年的索爾維會議上，世界上一些最偉大的物理學(xué)家——薛定諤、愛因斯坦和海森堡——討論了新制定的量子理論。從那里，出現(xiàn)了薛定諤的貓、糾纏以及愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論等一系列其他概念。這些概念為 Feynman、Benioff 和 Manin 在 80 年代提出的概念奠定了基礎(chǔ)。我們在 90 年代開始看到量子算法，在 00 年代看到第一個硬件。但在 2014 年，你真的會看到投資、初創(chuàng)企業(yè)、專利和材料科學(xué)優(yōu)勢方面的突然上升?，F(xiàn)在，我們正處于它真正成為現(xiàn)實(shí)的邊緣。

問：為什么是現(xiàn)在？為什么突然的緊迫感和努力？

答：經(jīng)典計(jì)算的基礎(chǔ)是 1 和 0。如果我們阻止一個信號，它就是一個零。如果我們讓一個信號通過，它就是一個信號。計(jì)算機(jī)是巨大的算盤，但同時也變得非常小。您擁有的智能手機(jī)由 10 納米芯片驅(qū)動，其中包含 30 億個晶體管。這些設(shè)備變得如此之小，以至于一些科學(xué)家擔(dān)心，一旦我們達(dá)到 7nm、5nm 和 3nm，量子力學(xué)就會生效，我們將無法阻擋信號。量子隧穿——你試圖阻止信號，但無論如何它都會通過——遲早會發(fā)生。當(dāng)它發(fā)生時，經(jīng)典計(jì)算的改進(jìn)將急劇放緩。

問：這就是量子霸權(quán)的意思嗎？

答：很多人使用量子霸權(quán)這個詞。我理解這個詞；但是，我不是它的忠實(shí)粉絲，因?yàn)樗o業(yè)內(nèi)人士的印象是量子計(jì)算機(jī)將以某種方式取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。事實(shí)并非如此。我們需要經(jīng)典計(jì)算機(jī)來控制所有進(jìn)出數(shù)據(jù)、低溫學(xué)，以及系統(tǒng)中的所有內(nèi)容。我們從經(jīng)典計(jì)算機(jī)中獲取它，我們將控制信息發(fā)送進(jìn)來，然后再發(fā)送出去。我不認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)是你運(yùn)行所有東西的東西，因?yàn)樵诓痪玫膶硪龅竭@一點(diǎn)，你需要數(shù)百萬、數(shù)百萬、數(shù)百萬的量子比特。迄今為止，我們只實(shí)現(xiàn)了大約 72 個量子比特。所以，把量子計(jì)算機(jī)想象成一個協(xié)處理器。

問：對于今天的軟件和硬件工程師來說，將量子計(jì)算納入方程式是否是一個輕松的過渡？

答：嗯，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，你有電路、模塊、門和晶體管。在過去，你必須是一名工程師才能對計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，因?yàn)槟惚仨毩私鈻艠O之間的電壓。然后，過了一段時間，你只需要了解大門?，F(xiàn)在，我們有甚至不知道有門的軟件工程師。所以這些事情通常是一個進(jìn)展。現(xiàn)在，你必須是一名物理學(xué)家才能為量子計(jì)算機(jī)編程。目標(biāo)是將量子計(jì)算帶到一個你只需要知道門然后有一些抽象層的地方，這樣你就可以將它用于你正在做的任何事情。

問：這可能引出了最重要的問題，您實(shí)際上可以用量子計(jì)算機(jī)做什么？

答：量子計(jì)算機(jī)幫助我們解決真正大的問題。以經(jīng)典的旅行推銷員為例。您有一臺每秒執(zhí)行 10 到 9 次操作的計(jì)算機(jī)，您希望使用往返的最短路徑將您的銷售人員派往 14 個城市。如果要檢查所有旅行組合，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要大約 1000 秒才能找到解決方案。如果你必須派你的銷售人員去 22 個城市，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要大約 1600 年才能找到解決方案。而如果你想讓你的銷售人員去 28 個城市，這比經(jīng)典計(jì)算機(jī)在已知宇宙中計(jì)算出答案所花費(fèi)的時間還要長。量子計(jì)算機(jī)可以在合理的時間內(nèi)解決該問題。

另一個很好的例子是量子計(jì)算如何徹底改變化學(xué)和科學(xué)研究。以咖啡因分子為例?？Х纫蚍肿又杏?95 個電子，您可以在很大程度上對其進(jìn)行建模。當(dāng)您想到在經(jīng)典架構(gòu)上為咖啡因模塊建模所需的內(nèi)存計(jì)算大小時，這在天文數(shù)字上是巨大的，而且是不可能的。但是，您可以在具有 160 個量子位的量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相同的建模。我們已經(jīng)達(dá)到了 72 個量子位。有傳言說到今年年底我們將達(dá)到 150-200；雖然被授予，但我們?nèi)匀淮嬖诒Ｕ娑葐栴}。不管怎樣，我們可以用量子計(jì)算機(jī)來解決這些非常大、非常困難的數(shù)學(xué)建模問題。它將改進(jìn)搜索算法、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和交通，并幫助找到治療疾病和全球變暖的方法。今天，大多數(shù)氣候研究都不準(zhǔn)確，因?yàn)槟褂玫氖墙?jīng)典系統(tǒng)來模擬量子力學(xué)世界。由于大自然是量子力學(xué)的，因此量子計(jì)算機(jī)可能會建立更好的氣候模型，這些模型可能比我們今天所做的近似猜測更準(zhǔn)確并提供更好的數(shù)據(jù)。

我們現(xiàn)在想解決所有這些問題，但我們沒有計(jì)算能力。量子計(jì)算將使我們獲得那種計(jì)算能力。我認(rèn)為我們將在未來 3-5 年內(nèi)擁有 1000 個量子比特。1000到10000的路程比較短。一旦達(dá)到 10,000，就可以開始尋找數(shù)百萬個量子位。我認(rèn)為我們會在 5 年內(nèi)擁有數(shù)百萬個量子比特嗎？不，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們可以使用該技術(shù)來解決一些問題和材料科學(xué)建模，從而進(jìn)一步加速它。

問：如果一個國家在世界其他國家之前破解量子，它是否會給一個國家?guī)頋撛诘牟还絻?yōu)勢？

答：很多國家都從國家安全的角度談?wù)摿孔佑?jì)算，但現(xiàn)在每個量子研究人員都在與來自世界各地的其他人合作。所以如果你想要進(jìn)步，你就不能把它鎖起來。我認(rèn)為這應(yīng)該是一種開源技術(shù)。我認(rèn)為它應(yīng)該是一種基于世界的技術(shù)——像影響我們生活的許多事情一樣民主化。全世界有很多大學(xué)都在研究這個主題。量子計(jì)算，而不是人工智能，是我們這一代人的太空競賽。因?yàn)橛懈嗟馁Y金投入、加密威脅的風(fēng)險(xiǎn)、治愈疾病的潛力和做事的能力，所以這是一個非常重要的領(lǐng)域。

問：如何參與量子計(jì)算？

A：我會鼓勵每個人都參與進(jìn)來。大公司正在為開發(fā)人員啟動程序。還有許多開源程序。不要害怕。如果您對量子計(jì)算和未來感興趣，請受到啟發(fā)。

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