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撰文 ｜ Philip Ball

翻譯 ｜ 葛允誠

校譯 ｜ 陳曉雪

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世界 “第一臺量子計算機(jī)” 在2015年進(jìn)入市場時，外界的反響顯然是好壞參半。考慮到這臺機(jī)器的標(biāo)價高達(dá)1000萬美元，人們對它的需求不旺盛就不足以為怪了。一些人指責(zé)加拿大波納比（Burnaby）制造商D-Wave System，認(rèn)為過度夸大其機(jī)器的能力，甚至連這個機(jī)器有沒有用到量子力學(xué)原理也存在爭議。

量子信息技術(shù)（Quantum Information Technologies, QIT）商業(yè)化的開端并不順利，但這對一項新技術(shù)來說并非罕見。畢竟對于大多數(shù)人來說，第一輛汽車的價格也高得令人望而卻步，并且在一開始被認(rèn)為會危害健康和安全。甚至因為在未鋪設(shè)的道路上行駛激起的巨大揚塵，汽車激起了公眾的激烈反對，以至于當(dāng)時的司機(jī)有時會攜帶槍支自我保護(hù)。至少目前為止，我們知道量子計算機(jī)——利用量子力學(xué)原理開發(fā)的信息處理新技術(shù)——是完全可行的。

“構(gòu)建這樣的機(jī)器，在物理學(xué)方面沒有什么已知的阻礙，” 倫敦帝國理工學(xué)院教務(wù)長，物理學(xué)家伊恩·沃姆斯利（Ian Walmsley）說，“但為了讓這些東西發(fā)揮作用，我們現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向非常困難和極具挑戰(zhàn)的工程學(xué)的工作?！?/span>

量子信息技術(shù)還遠(yuǎn)未迎來像亨利·福特或者比爾·蓋茨這樣的人物，（可以像當(dāng)年的汽車或者個人電腦這樣）把這一產(chǎn)業(yè)改造出既可靠好用、價格又合理的機(jī)器?！艾F(xiàn)在這個階段，（量子計算的商業(yè)化）主要致力于工程技術(shù)的不斷迭代進(jìn)步，而更少依賴于概念性的突破?！?加州伯克利的量子計算公司里蓋蒂計算（Rigetti Computing）的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官（CEO）乍得·里蓋蒂（Chad Rigetti）說道。但商業(yè)化的進(jìn)展已經(jīng)十分迅速?！爱a(chǎn)業(yè)活動的加速，比我們（學(xué)術(shù)界）大多數(shù)人預(yù)期的更快、更突然?！?加州理工學(xué)院的量子理論家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）說道。

圖1 量子計算優(yōu)勢方案。加拿大公司D-Wave與谷歌的科學(xué)家合作展示了量子計算性能的優(yōu)勢。隨著模擬規(guī)模和問題復(fù)雜度的增加，其速度可達(dá)到經(jīng)典計算的300萬倍。D-Wave的研究者們對D-Wave 2000量子比特的系統(tǒng)進(jìn)行編程，以使用人工自旋對二維受挫量子磁體進(jìn)行建模（左圖）。圖源：D-Wave Systems Inc

對量子計算行業(yè)未來的預(yù)測各不相同，但幾乎所有觀點都認(rèn)為其規(guī)模將是巨大的。“我認(rèn)為量子計算的市場到2025年前后能達(dá)到10億美元，且可能在2030年前達(dá)到50-100億美元?！?nbsp;量子信息跟蹤網(wǎng)站 “量子計算報告”（Quantum Computing Report）的運營者道格·芬克（Doug Finke）說。后者的價值相當(dāng)于今天高性能計算市場的10%-20%。根據(jù)霍尼韋爾（Honeywell）的估計，未來30年量子計算的價值可能達(dá)到1萬億美元。

根據(jù)以上估計，量子計算的商業(yè)化能吸引到大量公共和私人的投資也就不足為奇了。美國政府準(zhǔn)備投入約12億美元到國家量子計劃（National Quantum Initiative, NQI）項目中。該項目在2018年末正式啟動，為學(xué)術(shù)界和私營部門的量子信息科學(xué)研發(fā)提供總體框架。英國國家量子技術(shù)計劃（The UK’s National Quantum Technology Programme, NQTP）于2013年啟動并承諾在10年內(nèi)投入10億英鎊，目前該計劃已進(jìn)入第二階段。來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子物理學(xué)家陸朝陽表示，盡管中國政府對量子信息很重視，但是之前流傳的高達(dá)100億美元左右政府投資規(guī)模的說法從未得到過官方證實，在很大程度上是媒體謠言。

對于私營部分，IT巨頭如IBM、谷歌、惠普、霍尼韋爾和微軟已經(jīng)開始重金投資量子產(chǎn)業(yè)。最近的一份報告稱，僅2021年，就有超過10億美元的私人投資用于量子計算研究。2019年，谷歌的量子計算組聲稱他們的 “懸鈴木”（Sycamore）——一個53量子比特的量子線路實驗——已經(jīng)實現(xiàn)了 “量子優(yōu)越性”（也被稱為 “量子霸權(quán)”），可以在實際時間尺度上進(jìn)行超越任何經(jīng)典設(shè)備的計算。2021年年中，霍尼韋爾宣布與量子軟件開發(fā)者、英國的劍橋量子計算（Cambridge Quantum Computing）建立合作伙伴關(guān)系。他們合作組建的量子計算公司號稱將提供 “世界上最高性能的量子計算機(jī)和最綜合性的量子軟件，包括第一個也是最先進(jìn)的量子操作系統(tǒng)”。

IBM量子計算部門開發(fā)的設(shè)備已經(jīng)通過基于云的服務(wù)供客戶（目前超過 20 萬個）使用。用戶從學(xué)術(shù)研究者到學(xué)校企業(yè)，其中大部分都免費?！澳惚仨氉屓藗兪煜み@些東西?！?IBM位于紐約約克敦海茨的 T. J. Waston 研究中心的“首席量子專家”鮑勃·蘇托爾（Bob Sutor）說。這些儀器目前主要放置在企業(yè)，但I(xiàn)BM已經(jīng)開始準(zhǔn)備把它們裝在其他地方（包括德國的一個弗勞恩霍夫研究所和東京大學(xué)），然后授權(quán)客戶獨家使用。然而，蘇托爾認(rèn)為基于云的服務(wù)仍將是常態(tài)。

里蓋蒂公司也推出了自己的云資源?！叭藗冋谑褂盟鼇頌榻鹑?、化學(xué)、物流、信號和圖像處理等領(lǐng)域的問題開發(fā)算法，” 乍得·里蓋蒂解釋說。位于美國馬里蘭大學(xué)的初創(chuàng)公司IonQ也是如此。迄今為止，該公司已經(jīng)為客戶運行了大約20億次任務(wù)。該公司已經(jīng)生產(chǎn)出32個量子比特的設(shè)備，量子比特是在一個芯片大小的器件中、被控制在電磁阱中的糾纏離子。他們的裝置在室溫下工作，通過激光激發(fā)和探測離子的電子狀態(tài)來輸入和輸出。該技術(shù)由馬里蘭大學(xué)的克里斯托弗·蒙羅（Christopher Monroe）及其同事開發(fā)。在籌集了8300萬美元的投資資金后，IonQ 于10月開始在紐約證券交易所公開交易——這是第一家上市的純量子計算公司——并迅速籌集了超過6億美元的資金。

與此同時，D-Wave仍在生產(chǎn)一種在量子退火算法中使用超導(dǎo)量子比特的設(shè)備，通過這種算法，量子比特被集中起來，以類似于模擬退火的經(jīng)典方法來尋找解決方案。該公司披露了一種名為Pegasus的新型量子芯片，該芯片將用于制造具有5000多個量子比特的設(shè)備，原定于2020年推出，但尚未實現(xiàn)。中國也有幾家QIT初創(chuàng)企業(yè)，比如專門從事量子加密和安全的合肥國盾量子（QuantumCTek）。它是從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉從事先驅(qū)性基礎(chǔ)研究的實驗室孵化出來的——但這些公司的私人投資情況尚不清楚。

即使量子信息技術(shù)行業(yè)如其倡導(dǎo)者所希望的那樣發(fā)展，但對于這個仍在不斷變化的領(lǐng)域，風(fēng)險資本家大力支持某家特定企業(yè)的行為也可能存在風(fēng)險?！翱赡軙幸恍┶A家，但也會有很多輸家，” 道格·芬克說，他的公司目前追蹤了200多家量子技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)，他預(yù)計絕大多數(shù)在10年內(nèi)將不復(fù)存在，至少不復(fù)以目前的形式存在。他表示，“有些將倒閉，有些將被收購，有些將被合并。”

伊恩·沃姆斯利（他曾在 2018 年之前一直擔(dān)任牛津大學(xué) NQTP 量子網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)中心的負(fù)責(zé)人）表示，目前還不清楚量子信息技術(shù)，尤其是量子計算最重要的技術(shù)平臺將是什么。IBM 和谷歌押注在由超導(dǎo)設(shè)備制成的量子比特上，而霍尼韋爾則專注于離子阱技術(shù)。

微軟正在采取一種被一些人視為高風(fēng)險的方法，即 “拓?fù)淞孔佑嬎恪?，其中量子比特是?zhǔn)電子——被稱為馬約拉納零模態(tài)（Majorana zero modes）——受其基本拓?fù)湫再|(zhì)的保護(hù)，不會發(fā)生可能導(dǎo)致計算脫軌的錯誤。為了研究這些難以捉摸的物體，微軟已經(jīng)與代爾夫特理工大學(xué)和尼爾斯玻爾研究所的實驗室建立了研究合作關(guān)系。其他公司則瞄準(zhǔn)光量子計算，包括牛津的初創(chuàng)公司奧卡計算（Orca computing，沃姆斯利為共同創(chuàng)始人）和加州的PsiQuantum。

“這些技術(shù)方法差異極大，追求特定技術(shù)的公司可能存在重大風(fēng)險，” 鮑勃·蘇托爾說，“所以我經(jīng)常告誡投資者不要把投資集中在一家量子公司上?！?nbsp;

圖2 全球網(wǎng)絡(luò)IBM的量子計算機(jī)——IBM量子系統(tǒng)一號（IBM Quantum System One）——已安裝在北美、德國和日本。截止到2019 年，該公司在紐約建立了量子計算中心，讓世界各地的用戶都可以訪問其先進(jìn)的基于云的量子計算系統(tǒng)。圖源：IBM

那么，誰是量子信息技術(shù)的第一批客戶呢？目前金融、石油、能源、汽車和航空航天行業(yè)對此深感興趣，例如埃克森美孚（Exxon）、戴姆勒（Daimler）和摩根大通（JP Morgan Chase）等公司都在使用IBM的高端量子計算機(jī)。IBM的新裝置之一位于俄亥俄州的克利夫蘭診所（Cleveland Clinic），用于病原體研究?；裟犴f爾表示，其新公司技術(shù)的應(yīng)用將服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)安全、藥物發(fā)現(xiàn)和交付、材料科學(xué)、金融行業(yè)和所有主要工業(yè)市場的優(yōu)化，以及自然語言處理和量子人工智能。

IonQ 的首席執(zhí)行官兼總裁彼得·查普曼（Peter Chapman）表示，他通常只有在研究結(jié)果公布后才知道用戶使用lonQ的云系統(tǒng)做了什么。例如，大眾汽車就用它來解決裝配線、交通路線和電動汽車充電站的布局等方面的優(yōu)化問題。

確實，量子計算非常適合諸如從許多其他可能的解決方案中找到 “最佳” 解決方案等此類優(yōu)化問題。例如，在管理供應(yīng)鏈中，向具有不同要求、不同截止日期、在不同地點的客戶交付商品或服務(wù)就面臨這一問題。通常，解決此類挑戰(zhàn)的經(jīng)典算法都需要依次嘗試每個選項: 這個數(shù)字會隨著系統(tǒng)的規(guī)模呈指數(shù)增長。

此類問題在金融領(lǐng)域也很常見，比如計算衍生品的最佳定價或估計證券投資風(fēng)險。“目前金融行業(yè)對量子計算的參與度不斷提高。” 位于帕洛阿爾托的量子軟件公司QC Ware的商務(wù)開發(fā)主管揚尼斯·耶姆弗羅斯（Yianni Gamvros）說。他的公司與高盛合作開發(fā)了一種用于蒙特卡羅模擬（Monte Carlo simulations）的量子算法，這是一種常見的優(yōu)化程序，可以在當(dāng)今 “含噪聲”、容易出錯的量子計算機(jī)上運行。他們聲稱，該算法將比經(jīng)典算法快一百倍。IonQ 也曾在量子機(jī)器學(xué)習(xí)上與高盛有合作。耶姆弗羅斯表示，量子算法可能在包括欺詐檢測和交易建議等金融領(lǐng)域有應(yīng)用的可能，“許多大銀行躍躍欲試?！?乍得·里蓋蒂補(bǔ)充說。

不過，IBM的鮑勃·蘇托爾強(qiáng)調(diào)，“直到現(xiàn)在，還沒有出現(xiàn)比經(jīng)典計算機(jī)更好地處理金融問題的量子計算機(jī)，所以你必須小心，不要推銷讓他們認(rèn)為可以做得比現(xiàn)在更多的東西?！?他說，已經(jīng)涉足量子計算的公司只是想在有可能很快實現(xiàn)的事情上搶占先機(jī)。

圖3 超導(dǎo)優(yōu)越性 左圖:由高保真量子邏輯門組成的谷歌的53量子比特Sycamore芯片陣列。該公司目前正在使用這些工具進(jìn)行基準(zhǔn)測試。右圖：一幅藝術(shù)家對安裝在低溫恒溫器中的Sycamore處理器的描繪。圖源：Google AI Quantum; Illustration ?2019: Forest Stearns DRAWEVERYWHERE/Google Quantum AI, Artist in Residence

即使是目前最強(qiáng)大的量子計算機(jī)，例如谷歌的Sycamore芯片或IBM最近宣布的127量子比特的Eagle線路，它們目前的模擬能力也難以大幅超越最簡單的化學(xué)系統(tǒng)（例如小分子）。但人們希望最終利用它們來預(yù)測新材料和分子的特性，獲得經(jīng)典模擬無法比擬的精度?！拔覀冾A(yù)計制藥和材料應(yīng)用市場將在兩到三年內(nèi)起飛?！?耶姆弗羅斯說。但一些企業(yè)的研發(fā)部門已經(jīng)在為知識產(chǎn)權(quán)和專利奠定基礎(chǔ)，并開發(fā)必要的技術(shù)。與此同時，使用機(jī)器學(xué)習(xí)的量子人工智能，可能會在生物醫(yī)學(xué)成像以及疾病的檢測和診斷中得到應(yīng)用。

量子信息技術(shù)的另一個發(fā)展領(lǐng)域是密碼學(xué)。量子計算機(jī)的出現(xiàn)提供了破解標(biāo)準(zhǔn)加密方法的可能性，該方法通過電信網(wǎng)絡(luò)（例如在線信用卡訂單）進(jìn)行安全數(shù)據(jù)傳輸，原理是基于大數(shù)分解的復(fù)雜度，而量子算法可以大幅加快該過程。不過，量子計算也為這個問題提供了解決方案。由于量子信息在被測量之前可能是不確定的，因此以這種形式編碼的數(shù)據(jù)可以 “防篡改”。如果信息以糾纏的量子比特編碼，例如沿光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或向衛(wèi)星廣播光子的偏振態(tài)，竊聽者就不可能在不被檢測到的情況下攔截和讀取信息。

量子密碼學(xué)已經(jīng)得到很好的證實并在長遠(yuǎn)距離上投入使用。例如，2007年，瑞士公司 ID Quantique 以這種方式對日內(nèi)瓦地區(qū)選舉的選票數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密，預(yù)示著該技術(shù)將在全球范圍內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用。該公司成立于2001年，計劃將該技術(shù)應(yīng)用在機(jī)密金融信息、政治信息領(lǐng)域以及在醫(yī)療數(shù)據(jù)和防御網(wǎng)絡(luò)攻擊領(lǐng)域。中國已經(jīng)建成了從上海到北京的光纖 “量子互聯(lián)網(wǎng)” 網(wǎng)絡(luò)。2020年，由潘建偉在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊通過衛(wèi)星在中國境內(nèi)1000公里的距離上廣播量子加密數(shù)據(jù)。

總部位于都柏林的市場研究公司 Fact.MR 估計，未來十年量子密碼市場將以30%的復(fù)合年增長率擴(kuò)張?！皬膫鬏斦臋C(jī)密數(shù)據(jù)到提供安全的銀行和金融解決方案，量子密碼被吹捧為加密和安全技術(shù)的未來?！?該公司的分析師表示，并補(bǔ)充說增長的限制來自安裝沿途必要的基礎(chǔ)設(shè)施和硬件，例如支持量子的衛(wèi)星和信號增強(qiáng)器。

鮑勃·蘇托爾相信，隨著量子計算機(jī)變得越來越大、越來越好，量子計算機(jī)在今天的局限性將逐漸消失。IBM計劃在2022年生產(chǎn)433量子比特的芯片，然后在2023年生產(chǎn)1121量子比特的Condor芯片。蘇托爾預(yù)測，到2020年代末，量子糾錯將取得一定的進(jìn)展。不過，當(dāng)今量子線路中最令人頭疼的問題是: 量子物理學(xué)的一個基本特性意味著，錯誤不能像經(jīng)典器件那樣，通過保持每個量子比特的多個復(fù)制來簡單地糾正。一些量子糾錯方案似乎需要數(shù)百甚至數(shù)千個物理量子比特來產(chǎn)生一個容錯的“邏輯”量子比特。

查普曼說，離子阱已經(jīng)被證明比上面所描述的要好得多。他表示，lonQ最近的工作顯示，量子糾錯的物理與邏輯量子比特之比僅為13:1。他補(bǔ)充說，因為它們不需要笨重和昂貴的制冷設(shè)備，離子阱量子計算機(jī)也可以縮小規(guī)模，而且相對便宜?！皻w根結(jié)底，問題在于每量子比特的成本，” 他說，“我們的計劃是大幅減少這類成本。我們認(rèn)為量子計算機(jī)應(yīng)該是機(jī)架式、低成本的設(shè)備，不需要任何種類的低溫系統(tǒng)?！边@將使它們適用于便攜式的場景，例如在飛機(jī)上，也適用于那些不能承受將工作提交到云端隊列帶來的延遲或安全風(fēng)險的公司。

圖4 冷原子阱。IonQ的莎拉（Sarah Kreikemeier）調(diào)整光學(xué)組件。得益于在冷原子阱中的離子，他們成為了今年第一家上市的量子公司。Courtesy: Erin Scott/IonQ

但是，這種指數(shù)級的進(jìn)步和興趣能否在不產(chǎn)生過高預(yù)期的情況下持續(xù)下去？耶姆弗羅斯說：“我認(rèn)為，基于政府資金的水平，以及硬件和軟件初創(chuàng)企業(yè)的數(shù)量——可能超過150家并且還在不斷增加，泡沫幾乎是不可避免的。我們現(xiàn)在正處于快速增長階段，但接下來肯定會是并購整合階段?！?/span>

然而，伊恩·沃姆斯利希望，量子信息技術(shù)在實現(xiàn)和應(yīng)用方面的多樣性可以避免互聯(lián)網(wǎng)泡沫。“重要的是要確保事情發(fā)展不會超前、過熱并因此破壞機(jī)會，” 他說?！拔覀儾粦?yīng)該期望這些機(jī)器明天就立刻能夠供人們居家使用?！?/span>

鮑勃·蘇托爾表示，為了避免這種錯誤的期望，IBM正在 “痛苦地公開我們的機(jī)器是什么以及它們是如何工作的”。此外，他表示，人們可以自己對它們進(jìn)行測試。盡管如此，“媒體有很多炒作，因為他們大多數(shù)人不了解技術(shù)”，道格·芬克補(bǔ)充道?！傲孔佑嬎阈袠I(yè)的個人也貢獻(xiàn)了不少（炒作）。試圖獲得資金的創(chuàng)業(yè)者可能會夸大其潛力。” 耶姆弗羅斯認(rèn)為在量子計算軟件方面還存在相當(dāng)多的問題，“因為這些公司經(jīng)常宣稱開發(fā)了非常強(qiáng)大的量子算法，然而這些算法的有效性幾乎完全沒有被測試過或嚴(yán)格證明過。”

陸朝陽也同意以上看法，為了籌集風(fēng)險資本，無論是在中國還是在全球范圍內(nèi)，產(chǎn)業(yè)界都可能夸大量子計算的潛力?！爱a(chǎn)業(yè)界的一個主要誤導(dǎo)信息是，量子計算可以通過所謂 ‘并行計算’ 加速一切計算任務(wù)，” 他說，“這不是真的。到目前為止，真正可以從量子計算中受益的實際問題仍然非常有限，享受指數(shù)級加速的就更少了——其他的僅有更有限的加速?！?nbsp;陸朝陽將一些來自量子計算初創(chuàng)公司的過度炒作與曾經(jīng)困擾人工智能的炒作進(jìn)行了比較，擔(dān)憂量子計算會因此重蹈人工智能經(jīng)歷幾次幻滅和被忽視的 “寒冬” 覆轍。

陸朝陽還擔(dān)心，量子計算的潛力容易被大眾扭曲。例如，在他看來，谷歌在超導(dǎo)體系和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在光子體系所完成的量子計算優(yōu)勢，作為最先進(jìn)的實驗水平，在他看來并不是展示“量子計算機(jī)已經(jīng)有多酷炫，而是恰恰相反：它們更多的是在學(xué)術(shù)意義上證明了量子計算的加速能力，因而量子計算還處于早期階段”。他認(rèn)為在未來5年左右的時間里，這些技術(shù)在很大程度上將作為科學(xué)家和工程師的研究工具。

但道格·芬克并不太擔(dān)心量子信息技術(shù)泡沫破滅的預(yù)測?！半m然會有一些人因為他們的投資沒有成功而失望，但我不相信會出現(xiàn)投資的全面崩盤，”他說。因為他認(rèn)為在接下來的幾年里將看到 “成功的消息陸續(xù)公布，一些機(jī)構(gòu)將量子計算應(yīng)用于現(xiàn)實世界的商業(yè)或科學(xué)應(yīng)用”，這樣的成功 “應(yīng)該足以讓私人和公共部門的投資流入”。

盡管存在炒作和幻滅的風(fēng)險，但總體而言，陸朝陽對量子計算的未來持樂觀態(tài)度，“我們才剛剛開始，（到目前為止）我們可能只發(fā)現(xiàn)了量子技術(shù)的冰山一角?，F(xiàn)在階段，即使是最聰明的人也不知道它將如何改變世界?！?/span>

或許在接下來的幾年里，我們將看到一些成功的消息，以及量子計算在現(xiàn)實世界的領(lǐng)域應(yīng)用。  

▲ 本文為 Physics World 專欄的第51篇文章。

 參考文獻(xiàn)：（上下滑動可瀏覽）

https://physicsworld.com/a/setting-the-scene-for-a-quantum-marketplace-where-quantum-business-is-up-to-and-how-it-might-unfold/