神乎其神的量子計(jì)算，如何商業(yè)化？
Robert Hackett
2020-12-11
作為現(xiàn)有超級計(jì)算機(jī)的“接班人”，量子計(jì)算機(jī)正處于蓬勃發(fā)展之中。
在一次電話會(huì)議期間，軟件開發(fā)者試圖讓一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用量子計(jì)算機(jī)“一展身手”，看看其在重現(xiàn)簡單的條紋圖案時(shí)能否拿出良好表現(xiàn)。
在開發(fā)者團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備好軟件代碼之后，一位留著“臟辮”的科學(xué)家通過點(diǎn)擊按鈕啟動(dòng)了位于丹佛（Denver）郊外實(shí)驗(yàn)室中的量子計(jì)算機(jī)，一道激光在機(jī)器內(nèi)部激發(fā)出一道磁性脈沖，真空室（相當(dāng)于量子計(jì)算機(jī)的大腦）中的原子受到?jīng)_擊之后隨即開始運(yùn)動(dòng)。
負(fù)責(zé)執(zhí)行該項(xiàng)測試的工程師，來自專門幫助商業(yè)客戶創(chuàng)建量子計(jì)算機(jī)專用算法的新創(chuàng)企業(yè)Zapata Computing，其租用的機(jī)器則來自工業(yè)巨頭霍尼韋爾，后者認(rèn)為量子計(jì)算領(lǐng)域蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)。
雖然完善量子計(jì)算相關(guān)技術(shù)或許仍然需要數(shù)年時(shí)間，但霍尼韋爾已經(jīng)開始從中獲得回報(bào)，該公司的量子計(jì)算機(jī)的租賃排期已經(jīng)排到了數(shù)月之后。
霍尼韋爾的首席執(zhí)行官杜瑞哲（Darius Adamczyk）說：“我們當(dāng)然可以大談產(chǎn)品有多么創(chuàng)新，技術(shù)有多么先進(jìn)，但如果沒有人愿意為其買單，又有什么意義呢？”
當(dāng)前，正在大力開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的企業(yè)中既有谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭，也有Rigetti和IonQ等新創(chuàng)企業(yè)，等待付費(fèi)使用霍尼韋爾量子計(jì)算機(jī)的公司已經(jīng)大排長龍，這也標(biāo)志著量子計(jì)算即將邁入重要的發(fā)展新階段。
雖然量子計(jì)算機(jī)的通用性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能和目前的電子計(jì)算機(jī)相提并論，但這些實(shí)驗(yàn)讓客戶對其可能性有了一絲感受。
不過問題在于，如何在未來幾年里大幅提高量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算性能，使其能夠以比其它種類計(jì)算機(jī)更低的成本獲得更優(yōu)異的表現(xiàn)。
量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)初衷是利用所謂“量子比特”奇妙而強(qiáng)大的物理特性，通過將量子的“疊加”、“糾纏”等狀態(tài)與“干涉”相結(jié)合，為解決超級計(jì)算機(jī)無法處理的科學(xué)與工業(yè)難題創(chuàng)造可能。
專家預(yù)計(jì)，量子計(jì)算機(jī)或許還需要10年乃至更長的時(shí)間才可以真正走向成熟。但與此同時(shí)，當(dāng)前研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)或?qū)⒂?023年開始在特定場景實(shí)現(xiàn)IBM經(jīng)常說的所謂“量子優(yōu)勢”。
就營收而言，量子計(jì)算目前還只是一個(gè)很小的產(chǎn)業(yè)，但隨著時(shí)間推移，該產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模可能會(huì)獲得巨幅增長。據(jù)研究公司Tractica提供的數(shù)據(jù)顯示，到2030年，量子硬件租賃市場的總規(guī)模預(yù)計(jì)將從目前的2.6億美元增長至90億美元。
但其真正價(jià)值仍然取決于量子技術(shù)所能夠釋放出的潛在商業(yè)機(jī)會(huì)。出于這一原因，再加上擔(dān)心在量子計(jì)算研發(fā)上落后于中國等競爭對手，美國政府與私營企業(yè)在2020年8月承諾，雙方將攜手向這個(gè)新興行業(yè)投入10億美元資金。
為了在量子計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，各大科技企業(yè)展開了激烈爭奪。那些率先入場的企業(yè)，其客戶數(shù)量都在不斷增加。
以IBM為例，該公司已經(jīng)獲得了130多個(gè)商業(yè)、學(xué)術(shù)和政府客戶。2020年9月，IBM的研究總監(jiān)達(dá)里奧·吉爾（Dario Gil）在我參觀他的“瘋狂科學(xué)”實(shí)驗(yàn)室時(shí)說：“有人問過我：‘量子計(jì)算何時(shí)才可以真正形成產(chǎn)業(yè)？商用量子計(jì)算何時(shí)能夠成為現(xiàn)實(shí)？’我想說的是，現(xiàn)在已經(jīng)開始?！?/p>
各家云計(jì)算巨頭已經(jīng)搭上了這一趨勢。微軟一方面正在開發(fā)自己的重量級量子計(jì)算硬件，另一方面已經(jīng)于2020年5月開始向特定Azure客戶提供遠(yuǎn)程接入其合作公司量子計(jì)算機(jī)的服務(wù)。微軟的量子計(jì)算業(yè)務(wù)開發(fā)主管朱莉·洛夫（Julie Love）表示：“我們正在降低量子計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用難度，讓更多的人可以真正用到這項(xiàng)技術(shù)?！?/p>
2020年8月，亞馬遜開始向其龐大的Amazon Web Service云服務(wù)客戶開放量子計(jì)算服務(wù)。為了大幅降低該技術(shù)的應(yīng)用門檻，讓幾乎所有人都能夠用到這項(xiàng)技術(shù)，亞馬遜也與微軟一樣使用了合作伙伴的硬件。
同樣身為科技巨頭，谷歌在2019年秋天聲稱其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，即量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上的計(jì)算能力已經(jīng)超過經(jīng)典的超級計(jì)算機(jī)，一石激起千層浪。雖然該聲明遭到了競爭對手IBM的質(zhì)疑，但從這一舉動(dòng)依然可以看出各大科技巨頭在這一新興行業(yè)中為了爭奪“霸主地位”而展開的激烈競爭。
近期，谷歌使用一臺(tái)12量子比特的計(jì)算機(jī)對氫原子與氮原子的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了模擬，創(chuàng)下了該領(lǐng)域的新紀(jì)錄，這一突破性成就也成功地登上了《科學(xué)》雜志（Science）的封面。
此前的紀(jì)錄保持者是IBM，三年前，IBM在一臺(tái)6量子比特（量子比特越多，建模就越復(fù)雜）的機(jī)器上對一個(gè)一半大小的分子進(jìn)行了模擬。
一般而言，此類數(shù)據(jù)處理終將推動(dòng)電池與碳捕獲技術(shù)的進(jìn)步，這也是大眾（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）等企業(yè)對此項(xiàng)技術(shù)抱有濃厚興趣的原因所在。
2020年早些時(shí)候，霍尼韋爾以黑馬姿態(tài)橫空出世，攜自研技術(shù)殺入量子計(jì)算領(lǐng)域，震驚了市場。該公司在硬件開發(fā)路徑上并未采用谷歌、IBM所青睞的芯片冷卻技術(shù)，而是使用了機(jī)器內(nèi)激光制導(dǎo)原子技術(shù)。
精確控制激光是霍尼韋爾量子計(jì)算機(jī)操作的核心。圖片來源：Courtesy of Honeywell
在霍尼韋爾公開發(fā)布的客戶名單上，我們能夠看到諸多知名企業(yè)的大名，其中最新加入的包括摩根大通、德國貨運(yùn)巨頭DHL與制藥巨頭默沙東公司。
默沙東公司的計(jì)算平臺(tái)主管卡姆·查納（Kam Chana）解釋稱，該公司希望將量子計(jì)算機(jī)用于早期研發(fā)工作，從而生產(chǎn)出更新穎、有效的藥物，并且在降低藥品分銷成本的同時(shí)，提高分銷效率。
馬爾科·皮斯托亞（Marco Pistoia）在摩根大通的“未來實(shí)驗(yàn)室”負(fù)責(zé)研究工作，他表示，量子計(jì)算可以增強(qiáng)銀行的風(fēng)險(xiǎn)分析能力，這也是銀行關(guān)注的主要問題之一。
高盛集團(tuán)、富國銀行和Visa也在積極探索量子計(jì)算技術(shù)，試圖將其用于復(fù)雜的金融衍生品定價(jià)與網(wǎng)絡(luò)安全強(qiáng)化等場景之中。
IBM的量子應(yīng)用業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人斯特凡·沃納（Stefan Woerner）提出，量子計(jì)算機(jī)或可用于車輛路徑智能規(guī)劃、提升投資組合管理安全性及蛋白質(zhì)折疊研究（蛋白質(zhì)折疊是一個(gè)復(fù)雜的生物問題，在醫(yī)學(xué)上也有一定應(yīng)用前景）等領(lǐng)域。
當(dāng)前，由于量子計(jì)算仍然處在早期階段，計(jì)算速度緩慢異常，等待過程令人痛苦不堪。
以條紋圖案重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)為例，Zapata團(tuán)隊(duì)要想從霍尼韋爾的量子計(jì)算機(jī)中獲得最終結(jié)果，必須等待數(shù)個(gè)小時(shí)。在拿到結(jié)果之后，團(tuán)隊(duì)成員還要將實(shí)際結(jié)果與量子計(jì)算機(jī)所能夠得出的理想結(jié)果進(jìn)行比較，從而衡量量子計(jì)算技術(shù)在機(jī)器學(xué)習(xí)方面的局限性。而本次實(shí)驗(yàn)幾乎完美地達(dá)到了Zapata團(tuán)隊(duì)的預(yù)期。
雖然這種試驗(yàn)在今天顯得太過簡單、緩慢，但也為技術(shù)進(jìn)步開辟了道路，為其在監(jiān)測財(cái)務(wù)欺詐及核磁共振成像（MRI）掃描診斷等場景的應(yīng)用創(chuàng)造了可能。與此同時(shí)，對該行業(yè)而言，量子計(jì)算機(jī)的出錯(cuò)傾向仍然是需要得到解決的問題，說明、糾正此類錯(cuò)誤將成為其首要任務(wù)。
不過，Zapata的首席執(zhí)行官克里斯·薩瓦（Chris Savoie）表示，盡管量子計(jì)算目前仍然存在種種缺點(diǎn)，但它終將為人類創(chuàng)造真正的價(jià)值，而且這一天不會(huì)太遠(yuǎn)。
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量子計(jì)算相關(guān)術(shù)語
與許多其他充滿未來感的領(lǐng)域一樣，量子計(jì)算領(lǐng)域也有許多復(fù)雜詞匯。以下是一些需要了解的關(guān)鍵術(shù)語。
量子比特
雖然量子比特（Qubits）與“Cubits”一詞的發(fā)音完全一樣，但其與這種圣經(jīng)中的計(jì)量單位并無關(guān)系。量子比特一詞由“量子”（quantum）和“比特”（bits）合成而來，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算領(lǐng)域所謂“比特”的升級版本。量子比特由原子、光子或其他材料組成，是量子計(jì)算無限可能的基礎(chǔ)所在。
疊加
一個(gè)經(jīng)典比特（又稱“二進(jìn)制數(shù)”）的狀態(tài)只有“0”或“1”，而量子比特則處于兩者之間的連續(xù)態(tài)，即同時(shí)處于兩種狀態(tài)。但奇怪之處在于，只有在無人觀測的情況下，量子比特才能保持這種狀態(tài)。一旦測量，這個(gè)被測量的量子比特就會(huì)坍縮在0（或1）態(tài)，也就是說它由“疊加態(tài)”坍縮到了它的其中一個(gè)可能態(tài)。
糾纏
所謂“糾纏”描述的是一種量子相互作用后成為整體的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，某一量子比特的狀態(tài)將會(huì)因?yàn)榱硪涣孔颖忍貭顟B(tài)的變化而變化。量子計(jì)算機(jī)制造商希望，有朝一日，其制造的量子計(jì)算機(jī)能夠利用“量子糾纏”實(shí)現(xiàn)超快并行處理能力。
嘈雜
現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)本身并無太大問題，只是有出錯(cuò)傾向（科學(xué)術(shù)語稱之為“嘈雜”）。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的部分原因是量子比特非常敏感，即便是最溫和的干擾，比如一個(gè)閃爍的光子，也會(huì)對其產(chǎn)生影響。
量子霸權(quán)
“量子霸權(quán)”是一種理論上的里程碑事件，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)完成了某項(xiàng)所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)在合理時(shí)間內(nèi)均無法完成的計(jì)算時(shí)，即稱之為實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。谷歌在2019年聲稱其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，但I(xiàn)BM對此提出了異議。
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量子競賽
爭奪新興量子計(jì)算市場主導(dǎo)地位的競爭十分激烈。部分主要參與者如下：
谷歌
2019年，這家搜索引擎巨頭宣稱實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算領(lǐng)域的重要里程碑：“量子霸權(quán)”。但自此以后，已經(jīng)有多名重要成員從其量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)出走。
IBM
“藍(lán)色巨人”（Big Blue）目前已經(jīng)躋身新型量子計(jì)算機(jī)生產(chǎn)商的第一梯隊(duì)。IBM在近期設(shè)定了新目標(biāo)，計(jì)劃到2030年打造一臺(tái)100萬量子比特的量子計(jì)算機(jī)，性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有機(jī)器。
霍尼韋爾
與IBM、谷歌追求開發(fā)超導(dǎo)量子比特計(jì)算機(jī)不同，這家工業(yè)巨頭選擇“離子阱”作為其硬件開發(fā)方向。
微軟
微軟的量子計(jì)算機(jī)開發(fā)工作一直進(jìn)展緩慢，2020年3月，該公司開始向云計(jì)算客戶提供接入其他企業(yè)量子計(jì)算機(jī)的服務(wù)。
阿里巴巴
2018年，阿里巴巴開始通過阿里云對外開放12量子比特的量子處理器。中國在量子領(lǐng)域取得的進(jìn)步令美國決策者感到震驚。（財(cái)富中文網(wǎng)）
譯者：Feb
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