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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” 在2015年進入市場時，外界的反響顯然是好壞參半?？紤]到這臺機器的標價高達1000萬美元，人們對它的需求不旺盛就不足以為怪了。一些人指責加拿大波納比（Burnaby）制造商D-Wave System，認為過度夸大其機器的能力，甚至連這個機器有沒有用到量子力學原理也存在爭議。

量子信息技術（Quantum Information Technologies, QIT）商業(yè)化的開端并不順利，但這對一項新技術來說并非罕見。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，并且在一開始被認為會危害健康和安全。甚至因為在未鋪設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，以至于當時的司機有時會攜帶槍支自我保護。至少目前為止，我們知道量子計算機——利用量子力學原理開發(fā)的信息處理新技術——是完全可行的。

“構建這樣的機器，在物理學方面沒有什么已知的阻礙，” 倫敦帝國理工學院教務長，物理學家伊恩·沃姆斯利（Ian Walmsley）說，“但為了讓這些東西發(fā)揮作用，我們現(xiàn)在正在轉向非常困難和極具挑戰(zhàn)的工程學的工作。”

量子信息技術還遠未迎來像亨利·福特或者比爾·蓋茨這樣的人物，（可以像當年的汽車或者個人電腦這樣）把這一產業(yè)改造出既可靠好用、價格又合理的機器?！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的不斷迭代進步，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)化的進展已經十分迅速?！爱a業(yè)活動的加速，比我們（學術界）大多數(shù)人預期的更快、更突然。” 加州理工學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)模和問題復雜度的增加，其速度可達到經典計算的300萬倍。D-Wave的研究者們對D-Wave 2000量子比特的系統(tǒng)進行編程，以使用人工自旋對二維受挫量子磁體進行建模（左圖）。圖源：D-Wave Systems Inc

對量子計算行業(yè)未來的預測各不相同，但幾乎所有觀點都認為其規(guī)模將是巨大的?！拔艺J為量子計算的市場到2025年前后能達到10億美元，且可能在2030年前達到50-100億美元?！?nbsp;量子信息跟蹤網站 “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，為學術界和私營部門的量子信息科學研發(fā)提供總體框架。英國國家量子技術計劃（The UK’s National Quantum Technology Programme, NQTP）于2013年啟動并承諾在10年內投入10億英鎊，目前該計劃已進入第二階段。來自中國科學技術大學的量子物理學家陸朝陽表示，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開始重金投資量子產業(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——已經實現(xiàn)了 “量子優(yōu)越性”（也被稱為 “量子霸權”），可以在實際時間尺度上進行超越任何經典設備的計算。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和最綜合性的量子軟件，包括第一個也是最先進的量子操作系統(tǒng)”。

IBM量子計算部門開發(fā)的設備已經通過基于云的服務供客戶（目前超過 20 萬個）使用。用戶從學術研究者到學校企業(yè)，其中大部分都免費。“你必須讓人們熟悉這些東西?！?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IBM已經開始準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），然后授權客戶獨家使用。然而，蘇托爾認為基于云的服務仍將是常態(tài)。

里蓋蒂公司也推出了自己的云資源。“人們正在使用它來為金融、化學、物流、信號和圖像處理等領域的問題開發(fā)算法，” 乍得·里蓋蒂解釋說。位于美國馬里蘭大學的初創(chuàng)公司IonQ也是如此。迄今為止，該公司已經為客戶運行了大約20億次任務。該公司已經生產出32個量子比特的設備，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。該技術由馬里蘭大學的克里斯托弗·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仍在生產一種在量子退火算法中使用超導量子比特的設備，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）。它是從中國科學技術大學潘建偉從事先驅性基礎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。

即使量子信息技術行業(yè)如其倡導者所希望的那樣發(fā)展，但對于這個仍在不斷變化的領域，風險資本家大力支持某家特定企業(yè)的行為也可能存在風險?！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多家量子技術初創(chuàng)企業(yè)，他預計絕大多數(shù)在10年內將不復存在，至少不復以目前的形式存在。他表示，“有些將倒閉，有些將被收購，有些將被合并?！?/span>

伊恩·沃姆斯利（他曾在 2018 年之前一直擔任牛津大學 NQTP 量子網絡信息技術中心的負責人）表示，目前還不清楚量子信息技術，尤其是量子計算最重要的技術平臺將是什么。IBM 和谷歌押注在由超導設備制成的量子比特上，而霍尼韋爾則專注于離子阱技術。

微軟正在采取一種被一些人視為高風險的方法，即 “拓撲量子計算”，其中量子比特是準電子——被稱為馬約拉納零模態(tài)（Majorana zero modes）——受其基本拓撲性質的保護，不會發(fā)生可能導致計算脫軌的錯誤。為了研究這些難以捉摸的物體，微軟已經與代爾夫特理工大學和尼爾斯玻爾研究所的實驗室建立了研究合作關系。其他公司則瞄準光量子計算，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。

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

圖2 全球網絡IBM的量子計算機——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?？松梨?/span>（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。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。霍尼韋爾表示，其新公司技術的應用將服務于網絡安全、藥物發(fā)現(xiàn)和交付、材料科學、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就面臨這一問題。通常，解決此類挑戰(zhàn)的經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險?！澳壳敖鹑谛袠I(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，可以在當今 “含噪聲”、容易出錯的量子計算機上運行。他們聲稱，該算法將比經典算法快一百倍。IonQ 也曾在量子機器學習上與高盛有合作。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域有應用的可能，“許多大銀行躍躍欲試。” 乍得·里蓋蒂補充說。

不過，IBM的鮑勃·蘇托爾強調，“直到現(xiàn)在，還沒有出現(xiàn)比經典計算機更好地處理金融問題的量子計算機，所以你必須小心，不要推銷讓他們認為可以做得比現(xiàn)在更多的東西?！?他說，已經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。

圖3 超導優(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行基準測試。右圖：一幅藝術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

即使是目前最強大的量子計算機，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系統(tǒng)（例如小分子）。但人們希望最終利用它們來預測新材料和分子的特性，獲得經典模擬無法比擬的精度。“我們預計制藥和材料應用市場將在兩到三年內起飛?！?耶姆弗羅斯說。但一些企業(yè)的研發(fā)部門已經在為知識產權和專利奠定基礎，并開發(fā)必要的技術。與此同時，使用機器學習的量子人工智能，可能會在生物醫(yī)學成像以及疾病的檢測和診斷中得到應用。

量子信息技術的另一個發(fā)展領域是密碼學。量子計算機的出現(xiàn)提供了破解標準加密方法的可能性，該方法通過電信網絡（例如在線信用卡訂單）進行安全數(shù)據(jù)傳輸，原理是基于大數(shù)分解的復雜度，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，例如沿光纖網絡發(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。

量子密碼學已經得到很好的證實并在長遠距離上投入使用。例如，2007年，瑞士公司 ID Quantique 以這種方式對日內瓦地區(qū)選舉的選票數(shù)據(jù)進行了加密，預示著該技術將在全球范圍內得到更廣泛的應用。該公司成立于2001年，計劃將該技術應用在機密金融信息、政治信息領域以及在醫(yī)療數(shù)據(jù)和防御網絡攻擊領域。中國已經建成了從上海到北京的光纖 “量子互聯(lián)網” 網絡。2020年，由潘建偉在中國科學技術大學領導的團隊通過衛(wèi)星在中國境內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%的復合年增長率擴張。“從傳輸政府的機密數(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的未來?！?該公司的分析師表示，并補充說增長的限制來自安裝沿途必要的基礎設施和硬件，例如支持量子的衛(wèi)星和信號增強器。

鮑勃·蘇托爾相信，隨著量子計算機變得越來越大、越來越好，量子計算機在今天的局限性將逐漸消失。IBM計劃在2022年生產433量子比特的芯片，然后在2023年生產1121量子比特的Condor芯片。蘇托爾預測，到2020年代末，量子糾錯將取得一定的進展。不過，當今量子線路中最令人頭疼的問題是: 量子物理學的一個基本特性意味著，錯誤不能像經典器件那樣，通過保持每個量子比特的多個復制來簡單地糾正。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生一個容錯的“邏輯”量子比特。

查普曼說，離子阱已經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。他補充說，因為它們不需要笨重和昂貴的制冷設備，離子阱量子計算機也可以縮小規(guī)模，而且相對便宜?！皻w根結底，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。我們認為量子計算機應該是機架式、低成本的設備，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險的公司。

圖4 冷原子阱。IonQ的莎拉（Sarah Kreikemeier）調整光學組件。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)級的進步和興趣能否在不產生過高預期的情況下持續(xù)下去？耶姆弗羅斯說：“我認為，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，量子信息技術在實現(xiàn)和應用方面的多樣性可以避免互聯(lián)網泡沫?！爸匾氖且_保事情發(fā)展不會超前、過熱并因此破壞機會，” 他說?！拔覀儾粦撈谕@些機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”，道格·芬克補充道?！傲孔佑嬎阈袠I(yè)的個人也貢獻了不少（炒作）。試圖獲得資金的創(chuàng)業(yè)者可能會夸大其潛力?！?耶姆弗羅斯認為在量子計算軟件方面還存在相當多的問題，“因為這些公司經常宣稱開發(fā)了非常強大的量子算法，然而這些算法的有效性幾乎完全沒有被測試過或嚴格證明過。”

陸朝陽也同意以上看法，為了籌集風險資本，無論是在中國還是在全球范圍內，產業(yè)界都可能夸大量子計算的潛力。“產業(yè)界的一個主要誤導信息是，量子計算可以通過所謂 ‘并行計算’ 加速一切計算任務，” 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困擾人工智能的炒作進行了比較，擔憂量子計算會因此重蹈人工智能經歷幾次幻滅和被忽視的 “寒冬” 覆轍。

陸朝陽還擔心，量子計算的潛力容易被大眾扭曲。例如，在他看來，谷歌在超導體系和中國科學技術大學在光子體系所完成的量子計算優(yōu)勢，作為最先進的實驗水平，在他看來并不是展示“量子計算機已經有多酷炫，而是恰恰相反：它們更多的是在學術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”。他認為在未來5年左右的時間里，這些技術在很大程度上將作為科學家和工程師的研究工具。

但道格·芬克并不太擔心量子信息技術泡沫破滅的預測?！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，一些機構將量子計算應用于現(xiàn)實世界的商業(yè)或科學應用”，這樣的成功 “應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)了量子技術的冰山一角。現(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)實世界的領域應用。  

▲ 本文為 Physics World 專欄的第51篇文章。

 參考文獻：（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/