经济学人:量子计算的制霸战争已经拉开序幕

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即使量子计算的春天最终将转向冬天,但在此之前迎来一个夏天的几率很高

电子计算机诞生之前,直到20世纪30年代,人们还在迷雾中摸索。在那个十年的早期,美国工程师范内瓦·布什(Vannevar Bush)建造了一台带有齿轮,滑轮和电动机旋转轴的机械计算机。他的“差分分析仪”占用了一个小房间,可以解决多达18个变量的方程式。

如今,量子计算有望超越世界上最快的超级计算机(至少对于某些类型的问题),而我们则正处于量子计算前夜的“机械计算机”阶段。量子计算的原型正在运作,但尚不清楚机器最终会演化成何种模样。例如,一个重要问题是“量子比特”,相当于电子计算机的晶体管,是否能储藏于冷却到超低温的超导线的微小环路中,被磁场中的离子或其他技术束缚住。

即使量子计算进展缓慢,但是一个充满活力的软件创业生态系统已经如雨后春笋般涌现。大公司,风险投资家和国家政府纷纷下注投资,为越来越多的新公司提供资金?!傲孔蛹扑惚ǜ妗保═he Quantum Computing Report)一个量子计算资讯网站,最近列出了其中的70多个项目,其中许多旨在为新机器编写软件(其中超过三分之一的名称以Q开头)。

量子计算这个崭露头角的行业正在进入群雄逐鹿的阶段,谷歌,IBM和微软等科技巨头之间的战争已经打响,这些巨头相互竞争,以吸引开发人员进入他们各自的量子平台。一些内部人士已经开始警告该行业热炒过度,预测未实现承诺带来的“量子冬天”。

很容易将量子计算的兴奋视为另一个炒作周期的开始。但该技术潜力巨大,因此需要认真对待。经典计算机以“位”来思考,它可以具有0或1的值.但量子位(Qubits)能够“叠加”,这意味着它们可以同时处于两个“状态”。另一个关键的量子概念是“纠缠”。量子比特之间存在纠缠,因此一个操作可以对纠缠的量子比特也产生影响,从而可以获得并行处理能力。

量子计算最显著的优势是使计算机拥有巨大的内存。叠加意味着存储数据的容量与每个量子比特翻倍。一台64-bit的计算机有足够的内存可存储高达18个quintillion(百万的三次方)。然后,量子纠缠以闪电般的速度处理数据。根据适合所选问题的算法建立量子比特; 系统应用量子力学规则,直到达到代表答案的状态。

达到这一点将是非常困难的。尽管研究人员掌握了设置量子比特的技术,但让它们完美无缺地运行仍然是一个尚未解决的问题。由于任何外部影响,如振动或热量,都会使这些精致的野兽失去它们的“零度”或“退饰”,它们必须保持完全隔离(需要超低温环境减慢原子的运动速度)。

在许多其他量子比特的帮助下,还需要检测和纠正错误。由于大量量子比特在至少十年内似乎无法实现,因此量子计算机如何投入实际使用的问题直到最近还没有出现在研究人员的脑海中。几年前,当硬件制造商设法构建具有超过几个量子比特的机器时,这种情况开始发生变化。

跳跃式发展的量子比特位

整个2016年IBM的5-bit量子位计算机独领风骚,2017年IBM再接再厉推出20量子位计算机(如题图所示)。去年11月IBM宣布推出的最新“量子处理单元”(QPU)有50个,比英特尔多一个量子比特。这两款产品在3月份被谷歌的Bristlecone超越,有72个量子比特。Rigetti是一家创业公司,最近表示它正在构建一个128-qubit系统(虽然更多并不一定意味着更好:一些量子比其他量子比其他量子更容易出错,并且没有通用的基准来衡量它们的质量)。与此同时,经典计算机在模拟量子点(高达约50个量子比特)方面已经越来越好,这使得测试算法和应用变得更加容易。

这种发展速度最近赢得了加利福尼亚理工学院的量子领域杰出人物John Preskill的祝福?!傲孔蛹扑慊哂?0-100比特的计算机可能能够执行超越当今经典数字计算机功能的任务,”他在一篇论文中写道,称这些设备为“嘈杂的中等规模量子”(或NISQ,具有“嘈杂”的含义)量子比特在未来一段时间内仍然容易出错。

一家创业公司QxBranch的迈克尔布雷特说,大公司正试图弄清楚量子计算对他们意味着什么。BASF和DowDuPont等化学品巨头希望了解该技术是否可以帮助他们“计算”有用新材料的结构,例如催化剂,以减少用于制造肥料的能源。包括巴克莱银行和摩根大通银行在内的银行希望将其用于调整投资组合风险等任务。游戏制作者也有兴趣使用量子计算让电子游戏更像现实世界。

由于量子人才供应非常短缺,公司通?;嵩诖匆倒镜陌镏伦⒉?,这些公司起到咨询服务的作用。这为新公司带来了资金,并使他们能够获得知识产权,以便以后开发真正的软件。Zapata计算机是典型的:从麻省理工学院分离出来,其装备博士学位的员工用纸板制作程序,用纸板老板克里斯托弗萨瓦(Christopher Savoie)的话来说“看起来很像乐谱”。

量子计算进入收获季节

量子计算领域得到了风险投资家们的青睐和大笔投入,去年风险资本流入达到近2.5亿美元??萍脊疽苍谕度胱试?。IBM一直在该地区工作时间最长。其研究机构的全球主管Arvind Krishna将量子计算与20世纪60年代IBM创建大型主机市场的努力进行了比较。IBM在20世纪70年代开始进行量子研究,四十多年后,在2016年,IBM将其5比特量子计算机放在网上,以便其他人可以使用它并开始编写程序(它称之为Q体验)。IBM还为程序员设计了工具,帮助麻省理工学院开发在线量子课程,并创建了一个公司网络以及其他大学来探索实际应用。

但量子计算并非一边倒的竞赛,上个月谷歌发布了Cirq,一套量子计算软件开发工具。Rigetti在网上安装了一台16-qubit QPU的机器。IonQ是另一家硬件创业公司,它已经建立了一台更容易编程的被困机器。然后是微软。与IBM一样,它希望建立一个“端到端系统”,用其量子部门负责人托德霍尔姆达尔的话来说。与IBM一样,它提供了“量子开发工具包”,甚至还提供了一种称为Q#的特殊编程语言。但是用它编写的任何代码都必须在仿真软件上运行多年。微软的量子计算机仍在开发中,因为该公司正在押注一个未经测试但更不容易出错的“拓扑”量子比特。

IBM,谷歌和微软都在大力吸引开发人员和应用程序到各自的平台。IBM强调Q体验的大量使用:它现在拥有超过90,000名用户,已经进行了500万次实验并发表了110篇论文。负责谷歌量子工作的哈特穆特奈文表示,其工具包针对的是“专业程序员”。他坚持认为他的团队将很快实现“量子至上”,这意味着它将表明它的量子计算机能够比经典的更快地解决问题(一个专家评论家已经称之为特技,因为这个问题不太可能是实际相关)。就其本身而言,微软已将其量子工具与其他编程软件紧密集成,以使经典开发人员更容易使用它们。

无论结果如何,在不久的将来,量子硬件都不可能会进入企业数据中心,更不用说个人用户的桌面了。不过在不久的将来,量子计算机将在谷歌,IBM和微软(以及亚马逊和中国的阿里巴巴,它们拥有更小的量子程序)运营的计算云中找到一席之地。由于量子计算在未来许多年内只能胜任特定任务,因此上述公司会将它们主要用作“加速器”,类似今天市场上具有超高性能的人工智能专用芯片。

除了前面提到的公司,只有政府机构可能在未来几十年内拥有自己的量子计算机。国家武装部队和情报部门,特别是美国和中国的情报机构,长期为该领域提供资金,并可能继续这样做。他们担心量子计算机器有朝一日能够破解世界上最好的加密技术,这可能会让那个首先能够解密秘密通信或破解银行的国家变得更加强大。

与AI一样,中国打算在量子技术方面领先世界。中国已宣布计划斥资100多亿美元建立一个量子科学国家实验室,并于2020年开放。这引发了华盛顿特区的努力,以创建一个“国家量子计划”,一些观察家认为该计划与美国20世纪40年代的核计划有得一拼。欧盟于2016年启动了一项量子研究计划,并提供超过10亿美元的资金支持。

政府资金的流动已经让一些风险资本家抱怨被挤出去了。但是对所有事物的兴奋日益增加也引发了人们的担忧,即该领域正在变得过于夸张,而且就像人工智能在20世纪70年代和80年代那样,在它没有兑现其承诺之后 – 它正走向“冬天”; 长期减少融资和利息。

一些创业公司肯定会在几年内撤退并且正在对冲他们的赌注。海森堡量子模拟公司的联合创始人迈克尔?玛莎勒希望他的公司能够以冬眠的方式挺过“量子冬天”。量子计算领域的其他观察者警告称,如果量子技术出现意外转变,今天编写的大部分软件可能会过时。

即使量子计算的春天最终将转向冬天,但在此之前迎来一个夏天的几率很高。这在过去经常发生。为了使用经济历史学家卡洛塔·佩雷斯(Carlota Perez)开发的概念,革命性技术总是会经历一个“镀金时代”,通常伴随着投资泡沫,在进入广泛部署的“黄金时代”之前就会出现。没有理由相信量子计算会偏离这条道路。

本文编译自:The Economist

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