作为现有超级计算机的“接班人”,量子计算机正处于蓬勃发展之中。

在一次电话会议期间,软件开发者试图让一台实验用量子计算机“一展身手”,看看其在重现简单的条纹图案时能否拿出良好表现。

在开发者团队准备好软件代码之后,一位留着“脏辫”的科学家通过点击按钮启动了位于丹佛(Denver)郊外实验室中的量子计算机,一道激光在机器内部激发出一道磁性脉冲,真空室(相当于量子计算机的大脑)中的原子受到冲击之后随即开始运动。

负责执行该项测试的工程师,来自专门帮助商业客户创建量子计算机专用算法的新创企业Zapata Computing,其租用的机器则来自工业巨头霍尼韦尔,后者认为量子计算领域蕴藏着巨大商机。

虽然完善量子计算相关技术或许仍然需要数年时间,但霍尼韦尔已经开始从中获得回报,该公司的量子计算机的租赁排期已经排到了数月之后。

霍尼韦尔的首席执行官杜瑞哲(Darius Adamczyk)说:“我们当然可以大谈产品有多么创新,技术有多么先进,但如果没有人愿意为其买单,又有什么意义呢?”

当前,正在大力开发量子计算机的企业中既有谷歌、IBM、英特尔等科技巨头,也有Rigetti和IonQ等新创企业,等待付费使用霍尼韦尔量子计算机的公司已经大排长龙,这也标志着量子计算即将迈入重要的发展新阶段。

虽然量子计算机的通用性远远不能和目前的电子计算机相提并论,但这些实验让客户对其可能性有了一丝感受。

不过问题在于,如何在未来几年里大幅提高量子计算机的运算性能,使其能够以比其它种类计算机更低的成本获得更优异的表现。

量子计算机的设计初衷是利用所谓“量子比特”奇妙而强大的物理特性,通过将量子的“叠加”、“纠缠”等状态与“干涉”相结合,为解决超级计算机无法处理的科学与工业难题创造可能。

专家预计,量子计算机或许还需要10年乃至更长的时间才可以真正走向成熟。但与此同时,当前研发的量子计算机或将于2023年开始在特定场景实现IBM经常说的所谓“量子优势”。

就营收而言,量子计算目前还只是一个很小的产业,但随着时间推移,该产业的市场规模可能会获得巨幅增长。据研究公司Tractica提供的数据显示,到2030年,量子硬件租赁市场的总规模预计将从目前的2.6亿美元增长至90亿美元。

但其真正价值仍然取决于量子技术所能够释放出的潜在商业机会。出于这一原因,再加上担心在量子计算研发上落后于中国等竞争对手,美国政府与私营企业在2020年8月承诺,双方将携手向这个新兴行业投入10亿美元资金。

为了在量子计算领域占据主导地位,各大科技企业展开了激烈争夺。那些率先入场的企业,其客户数量都在不断增加。

以IBM为例,该公司已经获得了130多个商业、学术和政府客户。2020年9月,IBM的研究总监达里奥·吉尔(Dario Gil)在我参观他的“疯狂科学”实验室时说:“有人问过我:‘量子计算何时才可以真正形成产业?商用量子计算何时能够成为现实?’我想说的是,现在已经开始。”

各家云计算巨头已经搭上了这一趋势。微软一方面正在开发自己的重量级量子计算硬件,另一方面已经于2020年5月开始向特定Azure客户提供远程接入其合作公司量子计算机的服务。微软的量子计算业务开发主管朱莉·洛夫(Julie Love)表示:“我们正在降低量子计算技术的应用难度,让更多的人可以真正用到这项技术。”

2020年8月,亚马逊开始向其庞大的Amazon Web Service云服务客户开放量子计算服务。为了大幅降低该技术的应用门槛,让几乎所有人都能够用到这项技术,亚马逊也与微软一样使用了合作伙伴的硬件。

同样身为科技巨头,谷歌在2019年秋天声称其已经实现“量子霸权”,即量子计算机在特定任务上的计算能力已经超过经典的超级计算机,一石激起千层浪。虽然该声明遭到了竞争对手IBM的质疑,但从这一举动依然可以看出各大科技巨头在这一新兴行业中为了争夺“霸主地位”而展开的激烈竞争。

近期,谷歌使用一台12量子比特的计算机对氢原子与氮原子的化学反应进行了模拟,创下了该领域的新纪录,这一突破性成就也成功地登上了《科学》杂志(Science)的封面。

此前的纪录保持者是IBM,三年前,IBM在一台6量子比特(量子比特越多,建模就越复杂)的机器上对一个一半大小的分子进行了模拟。

一般而言,此类数据处理终将推动电池与碳捕获技术的进步,这也是大众(Vokswagen,谷歌合作伙伴)、埃克森美孚(Exxon Mobil,IBM合作伙伴)和戴姆勒(Daimler,谷歌、IBM共同合作伙伴)等企业对此项技术抱有浓厚兴趣的原因所在。

2020年早些时候,霍尼韦尔以黑马姿态横空出世,携自研技术杀入量子计算领域,震惊了市场。该公司在硬件开发路径上并未采用谷歌、IBM所青睐的芯片冷却技术,而是使用了机器内激光制导原子技术。

精确控制激光是霍尼韦尔量子计算机操作的核心。图片来源:Courtesy of Honeywell


在霍尼韦尔公开发布的客户名单上,我们能够看到诸多知名企业的大名,其中最新加入的包括摩根大通、德国货运巨头DHL与制药巨头默沙东公司。

默沙东公司的计算平台主管卡姆·查纳(Kam Chana)解释称,该公司希望将量子计算机用于早期研发工作,从而生产出更新颖、有效的药物,并且在降低药品分销成本的同时,提高分销效率。

马尔科·皮斯托亚(Marco Pistoia)在摩根大通的“未来实验室”负责研究工作,他表示,量子计算可以增强银行的风险分析能力,这也是银行关注的主要问题之一。

高盛集团、富国银行和Visa也在积极探索量子计算技术,试图将其用于复杂的金融衍生品定价与网络安全强化等场景之中。

IBM的量子应用业务负责人斯特凡·沃纳(Stefan Woerner)提出,量子计算机或可用于车辆路径智能规划、提升投资组合管理安全性及蛋白质折叠研究(蛋白质折叠是一个复杂的生物问题,在医学上也有一定应用前景)等领域。

当前,由于量子计算仍然处在早期阶段,计算速度缓慢异常,等待过程令人痛苦不堪。

以条纹图案重现实验为例,Zapata团队要想从霍尼韦尔的量子计算机中获得最终结果,必须等待数个小时。在拿到结果之后,团队成员还要将实际结果与量子计算机所能够得出的理想结果进行比较,从而衡量量子计算技术在机器学习方面的局限性。而本次实验几乎完美地达到了Zapata团队的预期。

虽然这种试验在今天显得太过简单、缓慢,但也为技术进步开辟了道路,为其在监测财务欺诈及核磁共振成像(MRI)扫描诊断等场景的应用创造了可能。与此同时,对该行业而言,量子计算机的出错倾向仍然是需要得到解决的问题,说明、纠正此类错误将成为其首要任务。

不过,Zapata的首席执行官克里斯·萨瓦(Chris Savoie)表示,尽管量子计算目前仍然存在种种缺点,但它终将为人类创造真正的价值,而且这一天不会太远。





量子计算相关术语



与许多其他充满未来感的领域一样,量子计算领域也有许多复杂词汇。以下是一些需要了解的关键术语。

量子比特
虽然量子比特(Qubits)与“Cubits”一词的发音完全一样,但其与这种圣经中的计量单位并无关系。量子比特一词由“量子”(quantum)和“比特”(bits)合成而来,相当于经典计算领域所谓“比特”的升级版本。量子比特由原子、光子或其他材料组成,是量子计算无限可能的基础所在。

叠加
一个经典比特(又称“二进制数”)的状态只有“0”或“1”,而量子比特则处于两者之间的连续态,即同时处于两种状态。但奇怪之处在于,只有在无人观测的情况下,量子比特才能保持这种状态。一旦测量,这个被测量的量子比特就会坍缩在0(或1)态,也就是说它由“叠加态”坍缩到了它的其中一个可能态。

纠缠
所谓“纠缠”描述的是一种量子相互作用后成为整体的状态,在这种状态下,某一量子比特的状态将会因为另一量子比特状态的变化而变化。量子计算机制造商希望,有朝一日,其制造的量子计算机能够利用“量子纠缠”实现超快并行处理能力。

嘈杂
现有量子计算机本身并无太大问题,只是有出错倾向(科学术语称之为“嘈杂”)。导致这一现象的部分原因是量子比特非常敏感,即便是最温和的干扰,比如一个闪烁的光子,也会对其产生影响。

量子霸权
“量子霸权”是一种理论上的里程碑事件,当量子计算机完成了某项所有经典计算机在合理时间内均无法完成的计算时,即称之为实现了“量子霸权”。谷歌在2019年声称其已经实现量子霸权,但IBM对此提出了异议。





量子竞赛



争夺新兴量子计算市场主导地位的竞争十分激烈。部分主要参与者如下:

谷歌
2019年,这家搜索引擎巨头宣称实现量子计算领域的重要里程碑:“量子霸权”。但自此以后,已经有多名重要成员从其量子计算团队出走。

IBM
“蓝色巨人”(Big Blue)目前已经跻身新型量子计算机生产商的第一梯队。IBM在近期设定了新目标,计划到2030年打造一台100万量子比特的量子计算机,性能远超现有机器。

霍尼韦尔
与IBM、谷歌追求开发超导量子比特计算机不同,这家工业巨头选择“离子阱”作为其硬件开发方向。

微软
微软的量子计算机开发工作一直进展缓慢,2020年3月,该公司开始向云计算客户提供接入其他企业量子计算机的服务。

阿里巴巴
2018年,阿里巴巴开始通过阿里云对外开放12量子比特的量子处理器。中国在量子领域取得的进步令美国决策者感到震惊。(财富中文网)

译者:Feb


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