InfoQ|为什么 2020 年代属于量子计算？
作者 ｜ Max Gorynski
本文最初发表在 Medium 博客 ， 经原作者 Max Gorynski 授权 ， InfoQ 中文站翻译并分享 。
如果有一天 ， 量子“旧时王谢堂前燕 ， 飞入寻常百姓家” ， 那么 ， 这一天会是什么时候呢？
“量子” ， 作为句子的修饰语 ， 通常指的是完全超出一般理解范围的东西 ， 如 薛定谔的猫 ， 既死又活 ， 重大的理论突破令人感到遗憾 ， 通往新维度的关键 。 然而 ， 在 21 世纪 20 年代即将来临之际 ， 当人们发现 ， 量子 ， 这个终极不可预测的代名词 ， 已经成为板上钉钉 ， 几近安全的赌注时 ， 既感到兴奋 ， 又令人奇怪地不安 。
或者 ， 至少量子计算就是这样的 。 自 20 世纪 90 年代以来 ， 量子计算一直是技术发展史上最值得期待的里程碑之一 。 现在 ， 我们正处于这一独特的计算分支生命周期的决定性阶段之间 。 量子计算不再仅仅是理论上的保留地 ， 也不再是局限于实验室的追求 ， 现在已经成为大公司、小公司、风投公司、学术机构和国家的主要投资渠道 。 我们越来越多地发现经典计算机主要后裔的应用用途 。 以至于我们认为 ， 到 20 年代末 ， 量子计算有望被视为这十年的决定性技术 。
但是 ， 为什么呢？又会如何？
什么是量子计算机 量子计算机和量子计算 ， 都是利用量子现象来加快执行进程 。 “经典”计算通过常规的二进制（通常称为“0”和“1”）来处理信息 ， 另一方面 ， 像 量子叠加（量子粒子同时存在多个量子状态 ， 而不是在一个位置和状态中）和 量子纠缠（具有纠缠态的两个粒子无论相距多远 ， 只要一个状态发生变化 ， 另外一个也会瞬间发生变化）这样的量子原理 ， 可以用来让计算机处理超出常规二进制原理以外的问题 。
因此 ， 量子计算的基本单位不是比特 ， 而是量子比特（qubit） 。 比特就是 0 或 1 的值 ， 然后排列成长长的标识字符串；而量子比特可以同时是 0 和 1 的值 。 因此 ， 能够接纳这种双向状态的特殊原子 ， 如“离子、光子或微小的超导电路” ， 就是量子计算的基石 。 量子计算机读取给定量子比特是“0”的程度 ， 以及它有多少是“1” 。 这通常被映射到一种量子比特的“球体”上 ， 球体上的一点表示量子比特所拥有的“0”和“1”的数量 。 为此 ， 你可能更容易想到用球体的维度表示值“0” ， 用经度表示值“1” 。 一旦量子位的“坐标”和字符串中的其他坐标被确定 ， 计算机就可以继续执行所表示的函数 。
我们目前的计算模型是建立在机器上的 ， 它本质上是为了使微积分更加简单而设计的 。 尽管我们对计算智能的概念近乎神化 ， 但在我们现在试图使用它完成的其他任务中 ， 经典计算模型并不一定优化得很好 。 正如摩根士丹利（Morgan Stanley）最近在一份报告中所指出 ， “经典计算机在微积分方面非常出色 ， 但量子计算机在排序、查找质数、模拟分子和优化方面甚至更胜一筹 ， 因此 ， 可能会打开通往心机算时代的大门 。 ”
量子计算并不涉及单一的计算模型 。 量子计算有多种可行的方法 ， 包括通过量子门阵列（也称为量子电路）、单向、绝热和拓扑方法 。 绝热模型是目前实现最多的模型之一 ， 也是解决最优化问题的最佳模型 ， 尽管它在性能上尚不能完全超过经典的超级计算机 。 门阵列模型是到目前为止实现最多的另一种模型 ， 虽然功能更为强大 ， 但构建起来却要困难得多 ， 成本也很昂贵 。
正如有多种量子计算模型一样 ， 量子计算机也有一系列提出的物理实现 。 其中包括 超导体、囚禁离子、线性光学 ， 甚至是我们几个月前看到的新闻：科学家在国际空间站上完成了 波色 - 爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensate）的制备和观测 。
构建量子比特 对于那些用笔记本电脑紧张地工作 ， 裤子被笔记本电脑烧出洞的人们来说 ， 可能会惊讶地发现 ， 量子计算机居然是在非常低的温度下工作的 。 事实上 ， 量子计算机要求的温度比真空的太空环境的温度还要低 。 量子比特 ， 无论多么强大 ， 都是非常精密的东西 ， 在运行过程中很容易被各种复杂元素（包括热量）的干扰 。
为了制造这些精密而深奥的东西 ， 你首先需要一种原子或亚原子物质 ， 能够维持两个状态之间的相干量子叠加 。 有很多方法可以做到 。 据 《宇宙》（Cosmos）杂志 报道 ， 新南威尔士大学（University of New South Wales）Michelle Simmons 领导的澳大利亚团队通过将单个磷原子放置在硅芯片上 ， 利用量子自旋信息产生的量子比特在晶格中的位置 ， 从而创造出了原子量子比特 。 你也可以让电流通过超导体 ， 然后绘制出结果的叠加图 。
另一种制造量子比特的方法是将电子从原子移出 ， 从而制造出离子 。 然后 ， 这个离子被电磁俘获 ， 并向其发射激光 ， 从而激发量子态的变化 。 通过这种方法 ， 你就有了一台“囚禁离子”量子计算机 。
为什么是量子计算机？ 这一切听起来都非常令人印象深刻 ， 相当美妙 ， 但是量子计算从理论科学界的孤立无援 ， 到应用科学界的初露锋芒 ， 是因为量子计算机拥有无限的应用可能性 。
在摆脱了二进制处理的限制后 ， 量子计算机能够以比普通计算机更快的速度进行运算 ， 同时能耗也大为降低 。 这使得量子计算机比普通计算机具有巨大的实现优势 ， 例如 ， 能够用经典计算机所需时间的一小部分解决更为困难的 NP- 完全问题 ， 而这甚至还没有涉及到具体的用例 。
应该说 ， 量子计算的出现本身 ， 并没有敲响经典计算的丧钟 ， 就像量子物理学的出现并没有使经典力学的所有成果变得毫无意义一样 。 正如在科学领域一样 ， 量子计算只是有望在经典理论摇摇欲坠的领域取得成功 ， 而且是惊人的成功 。 消费者不必担心他们的设备会大量淘汰 。 开发人员也不必担心他们的技能会过时（如果有的话） 。 正如我们观察到经典计算机在优化、模拟、因式分解等能力的局限性一样 ， 量子计算机也会有自己的薄弱领域 ， 包括电子邮件、文档的创建和使用等日常任务 。 就像一个完全由专业人员而没有商人组成的社会不会走得很远一样 ， 量子计算机的深奥性也并不能解决我们每一个人的需求和问题 。
然而 ， 对量子计算来说是一个很好的机会 ， 那就是解决其中相当多的问题 。
成就量子计算霸主地位的多种因素 量子计算 作为一个领域 ， 发展相对较快 ， 表面上看 ， 是从 1927 年海森堡（Heisenberg）提出的不确定性原理（Uncertainty Principle）开始的 。 1981 年在 IBM/MIT 会议上 ， 理乍得·费曼（Richard Feynman）的挑战宣告了量子计算的神话阶段 。 1994 年 ， 彼得·秀尔（Peter Shor）证明了 ， 相较于经典计算机 ， 量子电路可以以指数级的速度对质因数进行分解 ， 该领域迎来了第一次的实际突破 。
译注：维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg） ， 1901 年 12 月 5 日－1976 年 2 月 1 日 ， 德国物理学家 ， 量子力学创始人之一 ， “哥本哈根学派” 代表性人物 。 1933 年 ， 海森伯因为 “创立量子力学以及由此导致的氢的同素异形体的发现” 而获得 1932 年度的诺贝尔物理学奖 。 他对物理学的主要贡献是给出了量子力学的矩阵形式（矩阵力学） ， 提出了 “不确定性原理”（又称 “海森堡不确定性原理”）和 S 矩阵理论等 。 他的《量子论的物理学原理》是量子力学领域的一部经典著作 。
理乍得·费曼（Richard Feynman） ， 1918 年 5 月 11 日－1988 年 2 月 15 日） ， 美国理论物理学家 ， 量子电动力学专家 ， 纳米技术之父 。 由费曼提出或完善的费曼图、费曼规则和重整化计算方法是研究量子电动力学和粒子物理学的重要工具 。
彼得·秀尔（Peter Shor） ， 美国知名计算机科学家 ， 出生于美国纽约市 ， 目前为美国麻省理工学院的应用数学系教授 ， 其最伟大的事迹为提出在量子电脑应用上的“秀尔算法”（Shor's algorithm ， 又称量子质因数分解算法） ， 因其证明量子电脑能做出对数运算 ， 而且速度远胜传统电脑 ， 对于现在通行于银行及网络等处的 RSA 加密算法可以破解而构成威胁 。
多年以后 ， 量子计算成为大型公司（IBM）、专业初创公司以及越来越多的 公共部门 的兴趣所在 。 世界各国正对量子技术进行数十亿美元的投资 。 之所以如此是因为 ， 从政策制定到数据分析 ， 一直到实验物理和化学的一些最奇特的领域 ， 这项新技术将产生显著的影响 。
化学、网络安全与搜索 你可能已经开始猜测 ， 哪些行业最有可能被即将到来的量子革命颠覆 ， 可以肯定的是 ， 任何一个以复杂的逻辑问题为主要内容的行业都将首当其冲 ， 受到的影响也最为严重 。
举例来说 ， 由于量子计算的广泛采用 ， 网络安全将会发生翻天覆地的改变 ， 远远超出目前人们的认知范围 。 即使是现在 ， 也有人认为 ， 作为一个社会 ， 我们在采取措施保护自己的网络安全方面相对随意 ， 即使撇开 那些在这方面做得不够好 的人不谈 ， 也是如此 。 这种印象很可能会因后量子计算时代的现状而变得更加复杂 。 加密规则将会在一夜之间被改写 。 在现存的基于质因数分解的密码系统中 ， 没有一个是量子计算机无法轻而易举地攻破的 。 因此 ， 密码系统可能会变得更有创意（使用更多基于问题或网格的加密） ， 我们有望看到转向更安全的、基于量子计算的密码系统 ， 用于存储有价值的信息以及防范黑客攻击 。
同样 ， 随着量子计算的采用 ， 任何重要的优化技术领域都将发生显著的变化 。 任何数据库都无法与量子计算机的处理速度相提并论 。 在 Grover 算法 等量子算法的推动下 ， 量子搜索可以从数据库中更全面地返回相关结果 ， 只需对数据库进行更少的查询 ， 而这正是经典计算机所无法完成的 。 不出所料 ， 事实证明 ， 在投资研究 量子计算的可能性 方面 ， Google 是最热衷的一方 。
当然 ， 量子计算将使创新和研究的另一种可能性成为可能 ， 因为有了量子计算 ， 我们将有一个真实的环境来运行量子模拟 。 当然了 ， 试图用经典的方法来模拟量子环境肯定是不精确的 ， 充其量也是非常低效的 ， 而且随着人们实验野心的增长 ， 在最有趣的程度上也是不可能实现的 。 如果有机会进入真正的量子计算环境 ， 能够准确地模拟和仿真量子条件 ， 我们将看到依靠更好地理解量子力学的各种 化学 和 纳米技术 取得指数级的进展 。
机器学习问题 每当技术的发展成为公众讨论的话题时 ， 大家都想知道——“这个新装置对机器学习的影响可能是什么？”而且 ， 如果你的审问官是一个更热心的人 ， 会问你“它有可能毁灭我们所有人吗？”
嗯 ， 按照传统理解 ， 机器学习将会被量子计算引入一个新时代——它已经是证明“量子霸权”（Quantum supremacy）主要倡议的主题 。
一种整数因式分解的算法 ， 已经被理解为量子计算的专利 ， 将立即推翻任何传统上对系统智能极限的理解 ， 甚至是对非直觉模式的理解 ， 而这种理解可以通过计算机实现 。
量子计算机可以处理的数据量之大 ， 可以很好地用于 机器学习 。 得益于量子技术 ， 几乎可以肯定的是 ， 非监督学习和强化学习将会加速发展 。 正如我们所看到的 ， 量子计算机能够支持比经典计算机更雄心勃勃的算法 ， 因此 ， 就某些领域（如 制药、生命科学和金融等领域）的利益而言 ， 经典计算机的可能性已经接近枯竭 。
通过钻石的瑕疵进行通信
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量子计算并不是以未来的量子“桌面”开始和结束的：在量子计算研究的下一章中 ， 基于量子现象的信息网络在期待成果清单上占据重要位置 。
按照刚才看到的相对于量子密码学来说 ， 任何量子互联网都要比经典互联网快得多 。 它也会更安全；毕竟 ， 正如 普林斯顿大学（Princeton University）的这份报告所指出的 ， “黑客试图窃听量子互联网传输的任何尝试都会扰乱它的状态 。 ”
正如我们前面提到的 ， 量子纠缠的原理是量子计算机和量子互联网可行性的核心 。 一个量子比特被非法观测或干扰？你将会有一个等价的“孪生”量子比特 ， 它可以告诉你关于它的一切 。 在量子网络中 ， 一个量子比特的状态会告诉你很多关于它与之纠缠的其他量子比特的信息 ， 无论它们之间的物理距离有多远 。
其中建议的一种构建量子互联网的可能手段 ， 颇能激起人们的想象力 。 这是普林斯顿大学电子工程助理教授 Nathalie de Leon 的研究成果 ， 她相信这种新型信息网络的关键就在钻石内 。 更具体地说 ， 就是钻石的瑕疵 。
我们在钻石闪闪发光中看到的颜色 ， 其实就是钻石的瑕疵；但是 ， 只要稍微修改一下它们的化学组成（用一个硅原子代替两个碳原子） ， 这些缺陷区域就会变成完美的光子容器 。 换句话说 ， 非常适合在量子网络中传输信息 。 在一个可以想象的未来 ， 我们会发现 ， 自己通过钻石的瑕疵 ， 在量子网络上进行通信 。
除却速度和安全性 ， 由于量子计算机的消耗率较低 ， 量子互联网可以意味着相当大的能源节约 。 目前 ， 互联网的消耗的电量 约占全球总用电量的 10% ， 如果将 数据中心 和 云计算 的额外能源成本考虑在内 ， 这个比例还会更高 。 单个量子计算机单元不仅比经典计算机单元的能耗更低；它们还有自己的 架构和云系统 空间 ， 这两者都可以代表着少量但直接的全球数字碳足迹的减少 。
量子颠覆 正如我们已经看到的那样 ， 量子计算作为一种独特的技术领域 ， 有着巨大的颠覆性潜力 ， 而且看起来 ， 这种颠覆性中很大一部分将是累加性和积极性的 ， 从而增加了整体知识资本 ， 并增强现有的流程和基础设施 ， 而不是将其一扫而空 。
很难想象有哪个科技研究领域的创业门槛比量子计算还高 。 尽管如此 ， 还是有一些有前途的公司以量子计算应用为核心 ， 他们都得到了风险资本的大力支持 。
Rahko Rahko 已开始着手“用量子机器学习来解决化学问题” 。 Rahko 的量子机器学习平台由一个总部设在伦敦的团队组成 ， 主要致力于创造量子化学的应用和商业目的洞察力 。 在最新一轮融资中 ， 他们从 Balderton 获得了 130 万英镑的种子资金 。
Quantifi Quantifi 成立于纽约 ， 在风险和交易分析方面 ， 这家公司处于量子计算解决方案商业可行性的前沿 。
Crypto Quantique Crypto Quantique 以“先发制人”为原则 ， 正试图通过开发一个端到端的 量子物联网安全平台 ， 占据密码学最佳实践的巨大变革的优势地位 ， 他们认为 ， 他们的平台几乎是坚不可摧的 。
更远的未来是量子隧道
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尽管这一奇妙的新技术的许多应用用途都是令人难以置信的 ， 但如果我建议将目光放得更长远一些 ， 允许我们自己对量子计算的进步将带来什么进行一些稍微有些异想天开的推测 ， 那将是任何一篇类似本文的文章中最有趣的部分 。 更重要的是 ， 鉴于量子计算技术有如此广泛的潜在用途 ， 我们甚至可以更自由地推测充满量子技术的未来 。
量子计算在医学上的应用有很多 。 将建立更详细的分子结构模型；由此创造出新的药品；而且 ， 长期存在的疾病很可能最终得到治愈 。
我们可能会看到 无腐蚀的工业过程；增加足够的续航里程 ， 使 电动汽车 不仅仅是一种选项 ， 而是一种选择 。
尽管 机构对区块链兴趣的增加 ， 几乎和对量子计算兴趣的增长一样快 ， 可能会让自己付出代价 ， 但在某些方面 ， 有人提出将量子计算作为 区块链天敌 的建议 。 尽管如此 ， 像加密货币这样的重大区块链计划可能会因安全问题而绝迹——用英国网络安全公司 PostQuantum 代表的话说 ， “比特币并不是量子计算机的证明” 。
包括美国空军在内的军事机构对量子计算也特别感兴趣 。 美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory）计算和通信部门主管 Michael Hayduk 对 SpaceNews 表示 ， 他赞同量子计算是“一项极具颠覆性的技术” 。 量子计算可以用来完善武器装备的同步性；正如中国的例子所证明的那样 ， 它也可以用来制造无法入侵的卫星 。
从更广泛的角度来看 ， 量子计算被广泛采用的的一个前景 ， 那就是速度 。 学习的速度、处理的速度、优化的速度 ， 只要运用得好 ， 如此快速地咀嚼如此庞大的数据宝库 ， 无疑会带来更大的创新 。 事实上 ， 这将刺激一场创新竞赛 ， 而这场竞赛的规模恰恰是根据竞争性商业行为者逐个部门实施量子技术的竞争程度而定 。
事实上 ， 技术创新已经在朝着某种精算的逃逸速度快速发展 。 随着中国自身的创新步伐与全球西方国家同步发展 ， 持续创新的压力也越来越大 。 鉴于量子计算只会更快、更进一步地推动材料科学的进步 ， 它可能会造成规模化扩张和新技术的工业规模部署的噩梦 。
因此 ， 这种 瓶颈 可能会对国际合作产生巨大的激励作用 。 已经有一种关于量子霸权的概念在酝酿和争论；在量子计算规模化应用的情况下 ， 可能会出现一种更为实际的量子霸权 ， 本质上是地缘政治性质的 ， 几乎没有哪个国家愿意接受这种概念 。
量子的麻烦 这并不是说量子计算在不久的将来就一定会成功 ， 不过至少在未来十年里 ， 我们确实有望看到量子计算方法从萌芽阶段逐渐发展到解决经典的、不切实际的问题——如超高速整数因式分解或精英密码学 。
稳定性 量子过程中存在着不稳定的可能性 ， 因为量子比特在其工作环境中只需轻微的复杂性就会发生严重的失真 。 人们集体尝试寻找解决这一问题的灵丹妙药 ， 这就是所谓的量子纠错（Quantum error correction） 。 量子退相干（Decoherence） ， 可以理解 ， 对于坚持同时占据多种存在状态的粒子（或者说 ， 人类大小的粒子聚集）来说 ， 是一个大问题 。 这代表着对即使是最强大的量子计算机 ， 其实用性也会存在潜在的妥协 。
在某种程度上 ， 在量子事件的某些阶段 ， 退相干是不可避免的 ， 而对抗退相干的主要手段之一是拥有比退相干时间更快的量子门——正如我们在前面所观察到的 ， 量子门模型是要求最高的 ， 而且建造和维护的费用也最昂贵 。 同样 ， 任何功能性的量子计算机都必须在物理上进行扩展 ， 以适应量子比特的数量 ， 而且还必须开发出一种评测标准 ， 通过这种评测标准 ， 可以“读取”量子比特所表示的操作函数 。
量子计算的一个“缺陷”并不是固有的 ， 而是基础设施的缺点 ， 这将迫使整个互联网的服务提供商进行一定程度的平台过渡和升级 。 一家能够开发和扩展基于量子计算的解决方案的公司 ， 无论是在网络安全、金融、即时通讯还是数据科学领域 ， 都将迅速形成一种几乎无可指摘的优势 ， 超过其传统的竞争对手 ， 尽管要做到这一点会困难重重 。 这一过渡必须加以管理 ， 而且人们希望 ， 这种过渡能够得到合理的合作 。 当然 ， 出于政治目的而开发的量子计算机 ， 不必担心非量子防御机制的阻碍 ， 可能会成为一种相当强大的武器 。
处于超级地位 在量子计算发展的前沿所能看到的全景图 ， 都会让你感到口干舌燥 。 量子计算机并非像经典计算机那样 ， 作为通往一个陌生新世界的门户来到我们面前 ， 而是一个让我们能够以修正的定义来看待我们当前世界的入口 。
在当前世界面临的社会政治和生态等多重问题中 ， 有些问题可以部分归结为创新的原则 ， 而不是事实 ， 表面上有两种解决方案——温和地走出我们自己挖的坑 ， 或者创新地走出这个坑 。 量子计算所具备的速度、效率和干净利落 ， 使得后一种选择 ， 成为迄今为止最能调和这个最奢靡、最消耗的时代的选择 ， 更容易让人接受 。
许多专家发现 ， 量子计算机不太可能在日常家庭中使用 ， 也就是说 ， 你的笔记本计算机或台式计算机都不太可能会配备量子引擎 。
量子霸权可以被定义为量子计算机性能的一种证明 ， 在这种证明中 ， 量子计算机完成了一种经典计算机做不到或在可行的时间量内能完成的功能或操作 。 对于量子研究人员来说 ， 证明量子霸权的实例颇像 八里亚尔币披索（Pieces of Eight） 。
退相干是 量子噪声的一种形式 ， 量子噪声本身与一个物理量的量子起源及其本质的不确定性有关 ， 作为一种离散的量子噪声 ， 退相干涉及到一个被破坏的波函数——量子比特必须保持在一个一致的波函数中（即必须保持相干性） ， 才能在计算上可理解 。
也就是说 ， 这是一种对“以创新为目的”的过度崇拜 ， 它把破坏和过度视为概念的证明 ， 而非将创新视为实现实际目标的手段 。
作者介绍：
Max Gorynski 是 Wonk Bridge 的共同创始人 ， 也是数字人文主义者的负责人 。 Wonk Bridge 是一个独立的科技出版物 ， 也是一个由技术专家、作家和思想家组成的全球网络 ， 他们共同为更光明的科技未来而努力 。 你可以访问https://medium.com/wonk-bridge来查看他们的文章 。
参考阅读：
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