量子计算

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划重点：量子计算首次出现于20世纪80年代初，主要依靠量子力学来解决复杂的、以前不太可能解决的计算问题。IBM于2019年推出了首个IBM Q System One量子计算系统，谷歌也声称其实现了“量子霸权”。尽管量子计算行业的实际同比增长率仅为1%，但该领域初创企业2022年获得的总投资达到23.5亿美元。多数首席信息官和IT领袖认为量子计算并未被过分炒作，他们希望更多地关注这项技术，以了解即将到来的颠覆。十年内具有主动纠错功能的大型量子计算机有望诞生，21世纪也将因此被视为“量子时代”。腾讯科技讯 量子计算是一个新兴的科学领域，由于它在许多行业拥有着巨大的应用潜力，已经引起了许多国家和公司的兴趣。随着更多资源和资金的投入，量子计算技术正以极快的速度向前飞跃。有科学家预言，量子计算机正进入“实用”阶段，十年内具有主动纠错功能的大型量子计算机有望诞生，“量子时代的黎明”即将到来。01 量子计算将成改变人类历史进程的新里程碑量子计算这种变革性技术虽然仍处于起步阶段，但它将成为改变全球技术进程的科学趋势之一。量子计算首次出现于20世纪80年代初，是一种变革性的技术趋势，旨在通过快速有效地解决不可能的问题来改变世界。这是一项新兴技术，它利用量子物理定律来处理与传统计算不同的信息。量子计算主要依靠量子力学来解决复杂的计算问题。实际上，量子计算将原子、电子或光子等基本粒子的量子特性与量子比特结合起来，作为计算中的一种新形式的信息编码。量子计算的基础将使它们比传统计算机优越数千倍。2019年1月，IBM推出了首个IBM Q System One量子计算系统，这是计算界前所未有的创新。谷歌也宣布，得益于其Sycamore量子处理器的突破，该公司已经实现了“量子霸权”，该处理器可以在200秒内完成世界上最好的超级计算机需要1万年才能完成的特定计算任务。在标志着将信息单位“比特”(值1或0)转换为量子比特(同时值1和0)的量子系统诞生两年后，IBM于2021年11月推出的127量子比特处理器打破了所有记录，首次超过100量子比特。IBM最近还推出了鱼鹰(Osprey)量子处理器，该处理器具有433个量子比特，是两年前发布的上一代处理器处理能力的三倍多。同时，IBM还更新了路线图，计划到2025年开发出有超过4000个量子比特的处理器。虽然这项技术还处于起步阶段，但不可否认的是，它将在人工智能、量子化学、金融、密码学、网络安全、物流等领域有着巨大的潜力。量子计算的特点是具有更高的计算能力、更大的内存容量和更低的能耗，从而为更高的处理速度奠定了基础。然而，量子计算的主要缺点是它对噪声、温度和光非常敏感，这会污染它所处的环境，从而破坏信息，产生需要纠正的错误以获得所需的结果。与经典计算不同，在创建算法时，量子计算需要为每次计算编写新的算法。量子计算的另一个缺点是它只能在零下240摄氏度的极低温度下运行，而这是非常难以维持的环境。02 全球量子计算领域投资创史上新高量子计算行业正以惊人的速度增长，对这项潜在突破性技术的投资也创造了历史最高水平。全球咨询公司麦肯锡发现， 2022年，量子初创企业获得的年度总投资达到了23.5亿美元，尽管该行业的实际同比增长率仅为1%。近年来，投资者始终在向量子计算初创公司投入资金。而自2001年以来的所有此类投资中，有68%发生在过去两年。自2001年以来，10笔最大的量子领域投资中有4笔投资于量子初创公司。其中包括软件初创公司SandboxAQ，它筹集了5亿美元资金。另外三家公司Rigetti、D-Wave和Origin Quantum也都完成了价值数亿美元的重大投资交易。这些投资标志着人们对量子计算越来越感兴趣，并表明该行业可能在未来几年迎来显著的增长和发展。麦肯锡的分析显示，从2023年开始，量子计算可能会对汽车、化工、金融服务和生命科学等四个行业产生更大经济影响。到2035年，这些行业的价值可能会达到1.3万亿美元。量子计算现在被认为是世界上竞争最激烈的领域之一。根据该领域专家的说法，拥有运行良好的量子计算的国家将有能力更好地预测、更好地模拟，分析更多的数据和场景，以便发现新药、预见自然灾害或意想不到的金融危机。如今，美国、中国和欧洲在这项技术的发展上处于领先地位，紧随其后的是日本、韩国、新加坡、澳大利亚、俄罗斯以及印度等，这些国家都在投资数十亿美元推动这项尖端技术的发展。从美国到中国和欧盟，世界上所有主要大国都认为量子计算是制药、环境和能源等领域科学研究的优先事项。值得注意的是，参与量子计算机开发的主要公司是美国公司，即IBM、谷歌、英特尔、霍尼韦尔和IonQ等。根据麦肯锡公司2022年6月发布的量子技术监测报告，欧盟正将其兴趣集中在量子计算上，并与中国一起被认为是在这一创新技术开发上投入最多公共资金的地区。然而，量子市场依然由北美主导，前12大制造商中有10家来自北美。在这场让跨国公司和世界主要国家垂涎三尺的竞赛中，其他国家也在积极参与进来。2020年，俄罗斯政府投资7亿美元发展量子技术，并于2022年建立了国家量子实验室。目前，俄罗斯科学研究所俄罗斯量子中心正在寻求与金砖国家集团的其他中心建立伙伴关系。印度最近也宣布了其国家量子任务，旨在未来几年将量子技术的科学和工业研发翻一番。03 量子计算被过度炒作？量子计算还处于发展的早期阶段，在量子计算机广泛应用于实践之前，必须克服许多实际和理论上的挑战。与任何先进和快速发展的技术一样，量子技术有可能被滥用，而且人工智能和强大的解密技术等快速采用也存在风险。有些物理学家还声称，很多初创企业都是建立在不切实际的炒作基础上的，并警告称，目前的估值存在泡沫。法兰克福高级研究所研究员、理论物理学家萨宾·霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)说：“包括我在内的许多物理学家都认为，量子计算被过度炒作了。它不会改变世界，充其量只能有一些小众应用，而且取得成果所需要的时间比许多初创企业预期的要长得多。”然而，多数首席信息官和IT领袖对此持有不同意见，他们希望更多地关注这项技术，以了解即将到来的颠覆。这也代表了许多行业观察人士的看法，包括莱特州立大学量子计算主任、计算机科学研究教授内拉·格蕾丝·勒德洛（Nella Grace Ludlow）。虽然量子计算仍处于实际发展的早期阶段，但有些公司已经在用它来解决困难的挑战。当科技公司能够充分开发这项技术的潜力时，量子计算机可以在几秒钟内解决传统计算机需要数月或数年才能解决的复杂问题。不利的一面是，量子计算机还可能使黑客能够快速解决数据加密所需的复杂数学算法，从而将所有数据和网络安全置于危险之中。勒德洛认为量子计算现在很有用。计算机科学中的“最大谎言”是，只要我们有足够大的超级计算机，就能解决任何问题。但事实上，更大的超级计算机（使用传统的二进制计算）也未必能解决许多挑战。在化学领域，有几十个这样的例子，我们目前使用量子计算机来搜索理想新材料的新化学结构，搜索新药或更好地优化机器学习算法，这些算法目前使用人工智能帮助寻找有用却不能算是最佳的解决方案。量子计算正处于迅速发展时期，所以任何进步都会带来巨大的改变。如果一台新的量子计算机多了10个量子比特，那么其处理能力就可以提高1000倍。在过去的七年里，商用量子计算机的量子比特数量大约翻了一番，单个量子比特的能力翻了一番。2018年，加州理工学院教授约翰·普雷斯基尔(John Preskill)创造了“NISQ”一词，意为“含噪声的中型量子时代”计算。许多人认为，我们仍处于量子计算机的NISQ时代，或者即将结束。这是因为量子计算机的量子比特错误率仍然高于传统计算机。虽然量子比特的数量增加了，但错误率却没有减少。每个月都有新的性能基准问世，使我们能够进入“容错量子计算”时代。这个新时代将允许人们处理超难的问题，比如破解密码。我们需要克服思维障碍，因为量子计算机与经典计算机截然不同，它们具有完全不同的计算机体系结构，可以解决以前不可能解决的问题。目前，量子计算领域还缺乏适当的监管。与当前围绕人工智能面临的监管或政策制定情况相比，关于量子计算的监管讨论甚至更少。04 “量子时代的黎明” 即将到来？今年6月，IBM的一位计算高管声称，量子计算机正在进入“实用”阶段。在这个阶段，高科技实验设备变得更有用。今年9月，澳大利亚首席科学家凯西·福利（Cathy Foley）甚至宣布“量子时代的黎明”即将到来。不久前，澳大利亚物理学家米歇尔·西蒙斯(Michelle Simmons)因在开发硅基量子计算机方面的工作获得了该国最高科学奖。显然，量子计算机正在大行其道。当被问及量子计算距离实际应用还有多远时，莱特州立大学量子计算主任、计算机科学研究教授内拉·格蕾丝·勒德洛称，现在可能有几十个难以解决的问题，任何组织都可以使用量子计算来帮助改进。空客正在使用量子计算机来设计他们的新飞机，德国汽车行业正在使用量子计算机来规划、调度数百辆自动驾驶汽车。多家公司正在使用它们来设计更好的电池，以满足电动汽车的需求。对于试图投资量子计算的企业来说，勒德洛认为，他们不要只着眼于获得5%到15%改进的问题，而是专注于以前不可能解决的问题。在数学中，这些难以解决的问题通常被称为“NP”，即非确定性多项式时间问题。量子计算的最佳应用包括物流、调度、金融、市场预测、新材料设计、药品和能源运输等领域。任何需要优化结果的问题都是量子计算能够解决的理想问题，因为它涉及到数百万种可能的选择，而量子计算能从中找到最佳解决方案。在材料科学领域，量子计算机将能够在原子尺度上模拟分子结构，从而更快、更容易地发现新的、有趣的材料。这也可能在电池、制药、化肥和其他基于化学的领域有重要的应用。量子计算机还将加速许多困难的优化问题，在这些问题中，我们想要找到做某事的“最佳”方法。这将使我们能够解决物流、金融和天气预报等领域的更大规模问题。采用量子技术的组织应该采取措施来保护他们的数据，比如大公司提供的量子云服务。微软提供Quantum Azure，亚马逊通过AWS提供Braket，这些方法是组织可以使用领先公司的量子计算机实施量子计算的方法。谷歌在其量子硬件上提供量子服务。IBM在销售量子计算机和提供在线访问他们的量子计算机方面处于世界领先地位。05 四条路经探索量子计算的未来2023年，量子计算将从大学物理系的地下室实验室转移到工业研发设施中，此举得到了跨国公司和风险资本家的支持。当代量子计算原型多由IBM、谷歌、IonQ、Rigetti和其他公司建造，但距离完美还有很长的路要走。今天的机器体积不大，而且很容易出错，处于所谓的“含噪声的中型量子时代”（NISQ）发展阶段。这意味着，它们很容易受到许多错误来源的影响，而纠正这些错误存在许多技术挑战。科学家们希望能够开发出能够自我纠正错误的大型量子计算机。整个生态系统的研究人员和企业都在通过不同的技术方法追求这一目标。目前领先的方法是利用超导电路中的电流回路来存储和处理信息，这是谷歌、IBM、Rigetti等公司采用的技术。另一种方法是“捕获离子”技术，它与带电原子粒子群一起工作，利用粒子固有的稳定性来减少误差。IonQ和霍尼韦尔率先采用了这种方法。第三条探索路径是将电子限制在半导体材料的微小颗粒中，然后将其融合到经典计算的成熟硅技术中。硅量子计算公司（Silicon quantum Computing）正在从这个角度进行研究。第四个方向是使用单个光粒子(光子)，它可以被高精度操控。一家名为PsiQuantum的公司正在设计复杂的“导光”电路来执行量子计算。在所有这些技术中，目前还没有明确的赢家，最终胜出的很可能是一种混合模式。今天试图预测量子计算的未来为时尚早，但许多研究人员都认为，未来十年该领域可能会实现某些里程碑式的目标。我们有望看到从嘈杂设备时代向可以通过主动纠错维持计算的小型设备过渡。未来十年，一种不犯错误(或称具有主动纠错功能)的大型量子计算机有望诞生。届时，我们可以说，21世纪将是“量子时代”。（文 / 金鹿）---------------------------本文转自一文读懂量子计算：现已进入“实用阶段”，“量子时代”即将到来

【文/观察者网专栏作者 潘禺】12月10日，谷歌重磅推出量子计算芯片“Willow”，在公关宣传攻势下，马斯克送上了“Wow”，奥特曼也发来了贺电。Willow是一款拥有105个物理量子比特的量子芯片，亮点在于其惊人的计算速度和错误校正能力。据报道，Willow能在不到5分钟的时间内完成一个标准计算任务，而这个任务如果交给全球最快的超级计算机，可能需要超过10-25年，这个数字甚至超过了宇宙的年龄。Willow的另一个成就是其指数级减少错误率的能力。随着量子比特数量的增加，错误率通常会指数增长，但Willow通过先进的量子纠错技术，实现了错误率的指数级降低。每当晶格从3x3增加到5x5，再到7x7时，编码错误率就会以2.14的倍率降低。这种对逻辑错误的潜在抑制为运行有纠错的大规模量子算法奠定了基础。Google Quantum AI团队的工作环境权威专家的反应量子计算的教主和旗手，美国计算机科学家Scott Joel Aaronson在他的博客也做了一些点评，尽管整体上比较积极乐观，但话里话外还是有一些玄机。比如，Aaronson要读者明确，进步大体上符合多数人的预期：对于过去五年一直在关注实验量子计算的人来说（比如说，从2019年谷歌的原始量子霸权里程碑开始），这里没有什么特别的震惊。自2019年以来，谷歌在其芯片上的量子比特数量大约翻了一番，更重要的是，将量子比特的相干时间提高了5倍。与此同时，他们的2量子比特门保真度现在大约是99.7%（对于受控-Z门）或99.85%（对于“iswap”门），相比之下2019年是~99.5%。他谈到最重要的是量子容错跨过了门槛，但离“真正的”容错量子比特还有距离：从科学上讲，头条结果是，随着他们增加表面码的大小，从3×3到5×5到7×7，谷歌发现他们的编码逻辑量子比特存活时间变长而不是变短。所以，这是一个非常重要的门槛，现在已经被跨越了。正如Dave Bacon对我说的，“现在形成了漩涡”——或者，换个比喻，30年后，我们终于开始触及量子容错的龙尾，这条龙（一旦完全唤醒）将允许逻辑量子比特被保存和操作几乎任意长的时间，允许可扩展的量子计算。话虽如此，Sergio Boixo告诉我，谷歌只有在能够以~10^-6的错误进行容错的两量子比特门（因此，在遭受一个错误之前，大约可以进行一百万次容错操作）时，才会认为自己创造了一个“真正的”容错量子比特。我们还离这个里程碑有一段距离：毕竟，在这个实验中，谷歌只创建了一个编码量子比特，甚至没有尝试在其上进行编码操作，更不用说在多个编码量子比特上了。Aaronson也谈到了谷歌这次秒杀超算10^25年的“量子霸权实验”：谷歌还宣布了在其105量子比特芯片上进行新的量子霸权实验，基于40层门的随机电路采样。值得注意的是，他们说，如果你使用目前已知的最佳模拟算法（基于Johnnie Gray的优化张量网络收缩），以及一台百亿亿次超级计算机，他们的新实验如果不考虑内存问题，需要大约3亿年才能在经典计算机上模拟，或者如果考虑内存问题，需要大约10^25年（注意，自大爆炸以来只过去了大约10^10年）。他指出这里“10^25年”结果的最大问题，也就是谷歌量子芯片的计算结果没有直接的验证。他担心谷歌没有给予足够的关注：由于同样的原因（据大家所知），经典计算机模拟这一量子计算将花费约10^25年，因此经典计算机直接验证量子计算结果也需要约10^25年！（例如，通过计算输出的“线性交叉熵”得分）。因此，谷歌的新量子霸权实验的所有验证都是间接的，基于较小电路的外推，而这些电路是经典计算机可以实际检查结果的。需要明确的是，我个人没有理由怀疑这些外推结果。但是，对于那些奇怪为什么我多年来一直痴迷于设计高效验证的近期量子霸权实验的原因：这就是原因！我们现在深陷于我之前警告过的不可验证的领域。以色列数学家和计算机科学家，量子计算怀疑论者Gil Kalai则在博客上写道：我们还没有研究Google Quantum AI的这些特定声明，但我的一般结论适用于它们：应谨慎对待 Google Quantum AI 的声明（包括已发布的声明），尤其是那些具有特殊性质的声明。这些说法可能源于重大的方法论错误，因此，可能更多地反映了研究人员的期望，而不是客观的科学现实。Gil Kalai还在这篇博文中谈到了量子计算炒作和比特币的问题：当2019年谷歌的量子霸权主张发布（或者更确切地说是泄露）时，有很多说法认为这意味着量子计算机就在附近，因此比特币所需的密码学将是可破解的，比特币将失去其价值。我通常不介意“炒作”，因为它反映了科学家对他们工作的热情和公众对科学努力的兴奋。然而，就谷歌而言，需要谨慎行事。例如，在2019年宣布“霸权”之后，比特币的价值在短短几天内（2019年10月24日左右，经过一段时间的稳定）从大约9,500美元跌至约8,500美元，给投资者带来了超过100亿美元的损失。比特币今天的价值约为100,000美元。此外，谷歌的断言可能对其它量子计算工作提出了不切实际的挑战，并鼓励了不受欢迎的科学方法的文化。跨越量子纠错的门槛正如Aaronson所说，这次值得称道的，不是无法直接验证的“量子霸权”实验，而是量子容错跨过了门槛。对于实用的量子计算机的主要困难，和对其中炒作的重新审视，心智观察所此前在《美国开始重新审视量子计算机，这对中国很重要》一文中已经做了详细介绍。这次Google Quantum AI团队在《自然》杂志上发表的论文，其重要成果是跨过了量子纠错的阈值，这又是怎么回事呢？构建量子计算机的研究人员面临的中心挑战，是如何用不完美的部件构建出完美的机器。他们的基本构建块，也就是量子比特，对外界干扰极其敏感。今天的原型量子计算机过于容易出错，无法做任何有用的事情。上世纪90年代，研究人员为克服这些错误奠定了理论基础，称为量子纠错。关键思想是诱使一组物理量子比特协同工作，作为一个单一的高质量“逻辑量子比特”。然后计算机将使用许多这样的逻辑量子比特进行计算。他们通过将许多有缺陷的组件转化为较少的可靠组件来制造那台完美的机器。这种计算的炼金术也有局限，如果物理量子比特太容易失败，纠错反而会适得其反。也就是增加更多的物理量子比特会使逻辑量子比特变得更糟，而不是更好。但如果错误率低于特定阈值，平衡就会倾斜：你增加的物理量子比特越多，每个逻辑量子比特就变得越有弹性。这次谷歌团队终于跨越了这个阈值。他们将一组物理量子比特转化为一个逻辑量子比特，随着他们向该组添加更多的物理量子比特，逻辑量子比特的错误率急剧下降。考虑一台经典计算机，信息表示为一串比特，0或1。任何随机的故障，如果翻转了比特的值，都会导致错误。为了防范错误，可以将信息分散到多个比特上，每个0重写为000，每个1重写为111。如果一组中的三个比特不是全部具有相同的值，你就会知道发生了错误，多数投票将修复错误的比特。但如果三元组中的两个比特同时出错，多数投票将返回错误的答案。如果增加每个组中的比特数量，比如五比特，虽然这种更大的代码可以处理更多的错误，你也引入了更多可能出错的方式。只有当每个单独比特的错误率低于特定阈值时，净效应才是有益的，比如五比特版本可以容忍每个组中的两个错误。在量子世界中，情况更加棘手。量子计算中的每一步都是另一个错误源，纠错过程本身也是如此。更重要的是，没有办法在不不可逆地干扰它的情况下测量量子比特的状态。所以，起初许多研究人员认为量子纠错是不可能的。