英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志近日撰文稱，雖然許多科技巨頭和各國政府都在努力發(fā)展量子計(jì)算，但這項(xiàng)技術(shù)有可能遭遇過度炒作，導(dǎo)致其從春天邁入冬天。然而，這項(xiàng)技術(shù)潛力確實(shí)巨大，所以最終還是會(huì)迎來火熱夏天。
以下為文章全文：
事后看來，計(jì)算似乎天生要通過電子元件來實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際上，一直到1930年代末期，這一點(diǎn)仍然沒有完全明確。1930年代初，美國工程師范內(nèi)瓦·布什（Vannevar Bush）開發(fā)了一臺(tái)機(jī)械電腦，由齒輪、滑輪和連桿組成，動(dòng)力則來自電動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)。他的這臺(tái)名為“微分分析器”（Differential Analyser）的機(jī)器要占據(jù)一個(gè)小房間，能夠解開最多18個(gè)變量的方程式。
量子計(jì)算如今被寄予厚望，即便是當(dāng)今全世界速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也可能被它遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后——至少在解決某些問題時(shí)的確如此。但現(xiàn)在，它也處在跟當(dāng)初的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相似的發(fā)展時(shí)期。
原型已經(jīng)可以發(fā)揮作用，但還無法確定這種設(shè)備最終會(huì)變成什么形態(tài)。例如，重要問題在于：“量子位”（相當(dāng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)里的晶體管）是否只能放置在一個(gè)冷卻至超低溫的超導(dǎo)線圍成的細(xì)小圓環(huán)中，將離子束縛在磁場內(nèi)，還是可以依賴于其他的技術(shù)。
隨著量子計(jì)算機(jī)逐步發(fā)展，由各種各樣軟件創(chuàng)業(yè)公司組成的生態(tài)系統(tǒng)也開始涌現(xiàn)出來。大型企業(yè)、風(fēng)險(xiǎn)投資家和各國政府都在積極投入，為越來越多的新企業(yè)提供資金。一家名為“量子計(jì)算報(bào)告”（The Quantum Computing Report）的網(wǎng)站最近列出了其中的70家公司，他們很多都希望為這種新的設(shè)備編寫軟件（超過三分之一都以字母“Q”打頭）。
在這個(gè)新興行業(yè)中，谷歌、IBM、微軟等科技巨頭卻展開了一場廝殺，希望能把開發(fā)者吸引到各自的量子平臺(tái)上。有的內(nèi)部人士已經(jīng)開始發(fā)出警告：這個(gè)行業(yè)的步子有點(diǎn)過大，甚至預(yù)計(jì)會(huì)因?yàn)楹芏辔茨軐?shí)現(xiàn)的承諾而引發(fā)“量子寒冬”。
很多人都認(rèn)為，量子計(jì)算引發(fā)的興奮之情會(huì)成為新一輪炒作周期的起點(diǎn)。但這項(xiàng)技術(shù)的確具備巨大的潛力，所以才需要對(duì)其加以重視。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)以“比特”為單位進(jìn)行“思考”，對(duì)應(yīng)的值不是0就是1。量子位卻具備“疊加態(tài)”，也就是可以同時(shí)處于兩種“形態(tài)”。另外一個(gè)重要的量子概念是“糾纏”：量子位可以連接，所以一個(gè)量子位上的操作會(huì)影響被糾纏的量子位，使得它們的處理能力得到并行控制。
第一項(xiàng)功能可以讓計(jì)算機(jī)具備巨大的內(nèi)存。疊加態(tài)意味著每個(gè)量子位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力可以翻倍。而64量子位計(jì)算機(jī)足以存儲(chǔ)18 quintillion的數(shù)字（1 quintillion是1后面跟20個(gè)零）。之后可以通過糾纏來實(shí)現(xiàn)光速操作。量子位根據(jù)適合某個(gè)問題的算法來設(shè)置。系統(tǒng)會(huì)一直應(yīng)用量子力學(xué)原則，直到它達(dá)到能夠代表答案的那個(gè)狀態(tài)。
要做到這一點(diǎn)是極其困難的。雖然研究人員掌握了配置量子位的藝術(shù)，但要讓它們毫無瑕疵地運(yùn)行仍然難以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槿魏蔚耐獠坑绊懀ɡ缯饎?dòng)或熱量）都會(huì)導(dǎo)致這些精密的設(shè)備丟失1和0的疊加態(tài)，也就是發(fā)生“退化”，所以它們必須完全絕緣（因此就要借助超低溫來放慢原子的移動(dòng)速度）。
還需要借助其他許多量子位來探測和糾正各種錯(cuò)誤。由于至少10年內(nèi)似乎無法獲得大量量子位，所以直到最近，研究人員都沒有思考如何將量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用于實(shí)踐。但在兩年前，當(dāng)硬件廠商開始開發(fā)具備兩個(gè)以上量子位的機(jī)器時(shí)，這種情況開始發(fā)生變化。
進(jìn)入Q時(shí)代
IBM在2016年引領(lǐng)了這一趨勢，率先推出了5量子位計(jì)算機(jī)，之后在2017年推出20量子位計(jì)算機(jī)。該公司在去年11月發(fā)布了最新的“量子處理器”（QPU），總共擁有50個(gè)量子位，比英特爾的多出1個(gè)。
但這兩款機(jī)器都在今年3月被擁有72個(gè)量子位的谷歌Bristlecone超過。還有一家名為Rigetti的創(chuàng)業(yè)公司最近宣布，他們開發(fā)了一款128量子位系統(tǒng)（雖然更多未必意味著更好：有些量子位比其他量子位更容易出錯(cuò)，而且目前缺乏公認(rèn)的基準(zhǔn)來衡量它們的質(zhì)量）。與此同時(shí)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)越來越善于模仿量子計(jì)算機(jī)（最多大概能達(dá)到50量子位的水平），因而可以簡化算法和應(yīng)用的測試過程。
這種發(fā)展速度最近獲得了量子力學(xué)領(lǐng)域的一位泰斗的贊賞，他就是加州理工學(xué)院的約翰·普利斯吉爾（John Preskill）。“擁有50到100個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)在完成任務(wù)時(shí)的表現(xiàn)可以超過如今的經(jīng)典數(shù)字計(jì)算機(jī)。”他在論文中寫道，他將這類設(shè)備稱作“嘈雜中型量子”（NISQ，所謂“嘈雜”（noisy）指的是量子位仍然會(huì)在某些時(shí)候易于犯錯(cuò)。）
創(chuàng)業(yè)公司QxBranch的邁克爾·布雷特（Michael Brett）認(rèn)為，大公司都在努力探索量子計(jì)算機(jī)可能給他們帶來什么影響。化學(xué)巨頭巴斯夫和杜邦都希望了解這項(xiàng)技術(shù)能否幫助其“計(jì)算”有用的新材料的結(jié)構(gòu)，例如通過催化劑減少生產(chǎn)化肥所需的能量。包括巴克萊和摩根大通在內(nèi)的銀行則希望借助這項(xiàng)技術(shù)來完成調(diào)節(jié)組合風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)。游戲開發(fā)商感興趣的則是利用量子計(jì)算讓視頻游戲更加栩栩如生。
由于量子計(jì)算人才短缺，企業(yè)往往需要借助創(chuàng)業(yè)公司的幫助來實(shí)現(xiàn)這些工作，所以創(chuàng)業(yè)公司就扮演了咨詢師的角色。這也給這些新的公司帶來了收入，讓他們獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以便在日后開發(fā)真正的軟件。Zapata Computing就是一個(gè)典型例子：這家從麻省理工學(xué)院分拆出來的公司由多位博士組成，他們開發(fā)了許多書面形式的程序。用他們的老板克里斯多夫·薩沃伊（Christopher Savoie）的話說，這“就像是活頁樂譜”。
量子收獲
這個(gè)領(lǐng)域獲得了風(fēng)險(xiǎn)投資公司的大量資助，去年的投資額接近2.5億美元。科技公司也在投入大量資源。IBM在該領(lǐng)域的研究時(shí)間最長。該公司研究部門全球總監(jiān)阿文的·克里施納（Arvind Krishna）認(rèn)為他們所做的工作堪比該公司在1960年代為大型機(jī)開發(fā)市場。
IBM從1970年代開始啟動(dòng)量子研究，2016年將5量子位計(jì)算機(jī)引入線上，好讓其他人也能使用其編寫程序（他們稱之為“Q體驗(yàn)”）。IBM之后又為程序員設(shè)計(jì)了工具，幫助麻省理工學(xué)院制作了在線量子課程，還創(chuàng)建了一個(gè)由企業(yè)和其他大學(xué)共同組建的網(wǎng)絡(luò)來探索實(shí)際應(yīng)用。
2014-2018年，風(fēng)投對(duì)量子技術(shù)的投資案例數(shù)和投資金額
競爭對(duì)手也不甘落后，谷歌上月推出Cirq軟件工具套件。Rigetti也把一臺(tái)配備16量子QPU的計(jì)算機(jī)放上網(wǎng)。另外一家硬件公司IonQ開發(fā)了一臺(tái)捕獲離子機(jī)器，可以簡化編程過程。然后還有微軟。用該公司量子計(jì)算部門負(fù)責(zé)人托德·霍爾姆達(dá)爾（Todd Holmdahl）的話說，他們也跟IBM一樣也開發(fā)了一套“端對(duì)端”系統(tǒng)。這家軟件巨頭同樣提供了一套“量子開發(fā)工具包”，甚至還包括一套名為Q#的專用編程語言。但任何用其編寫的代碼都需要在模擬軟件中運(yùn)行幾年時(shí)間。微軟的量子計(jì)算機(jī)仍在推進(jìn)，因?yàn)樵摴景奄€注壓在一種未經(jīng)檢驗(yàn)，但錯(cuò)誤傾向卻低得多的“拓?fù)洹绷孔游簧稀?/p>
IBM、谷歌和微軟都在為各自的平臺(tái)大舉吸引開發(fā)者和應(yīng)用。IBM著重強(qiáng)調(diào)Q體驗(yàn)的使用量：他們目前擁有9萬多用戶，共計(jì)運(yùn)行了500萬次實(shí)驗(yàn)，發(fā)表110篇論文。谷歌量子計(jì)算業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人哈特穆特·內(nèi)文（Hartmut Neven）則表示，該公司的工具包瞄準(zhǔn)了“專業(yè)編程人員”。他堅(jiān)稱自己的團(tuán)隊(duì)很快就會(huì)實(shí)現(xiàn)“量子超級(jí)霸權(quán)”，也就是說，他們會(huì)證明量子計(jì)算機(jī)能夠比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快地解決問題（但批評(píng)人士認(rèn)為這只是噱頭，因?yàn)樗麄兘鉀Q的問題可能跟實(shí)際應(yīng)用關(guān)系不大）。微軟則將量子工具與其他編程軟件密切整合起來，方便經(jīng)典計(jì)算機(jī)的開發(fā)者使用。
無論結(jié)果如何，都沒有一家硬件公司能在短期內(nèi)最終成為其他企業(yè)的數(shù)據(jù)中心，更不用說是成為人們的桌面了。相反，量子計(jì)算機(jī)將在谷歌、IBM和微軟經(jīng)營的云計(jì)算中找到自己的家（當(dāng)然也包括亞馬遜和阿里巴巴，只不過他們的量子計(jì)算項(xiàng)目規(guī)模較小）。由于這些量子計(jì)算機(jī)在幾年時(shí)間內(nèi)只能擅長某些具體的任務(wù)，所以這些企業(yè)還是希望將其當(dāng)做“加速器”來使用，在有特定需求的情況下再對(duì)其加以利用——效果類似于那些配有超高速人工智能芯片的電腦。
除了這些公司，只有政府機(jī)構(gòu)才有可能在今后幾十年內(nèi)擁有自己的量子計(jì)算機(jī)。各國軍方和情報(bào)機(jī)構(gòu)一直都在資助這一領(lǐng)域，今后也有可能繼續(xù)采取資助。他們擔(dān)心，量子計(jì)算機(jī)有朝一日可能會(huì)破解如今最強(qiáng)的加密算法，所以誰先掌握這項(xiàng)技術(shù)，便可率先破解機(jī)密通訊信息或入侵銀行系統(tǒng)。
與人工智能一樣，中國也希望在量子計(jì)算領(lǐng)域引領(lǐng)世界。中國已經(jīng)宣布斥資100美元建設(shè)一個(gè)國家級(jí)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，將在2020年正式投入使用。這也促使美國成立了一個(gè)“國家量子項(xiàng)目”，部分觀察人士將其與美國1940年代的核計(jì)劃相提并論。歐盟也在2016年啟動(dòng)量子研究項(xiàng)目，并給予超過10億美元的資金支持。
政府資金的涌入導(dǎo)致一些風(fēng)險(xiǎn)投資家抱怨自己遭到排擠。但市場上充斥的興奮之情也導(dǎo)致人們擔(dān)心該領(lǐng)域最終會(huì)遭到過分炒作——就像1970和1980年代的人工智能一樣——并因此陷入“寒冬”，導(dǎo)致其長期失去資金來源和人們的關(guān)注。
有些創(chuàng)業(yè)公司認(rèn)為幾年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)衰退，所以現(xiàn)在開始對(duì)沖風(fēng)險(xiǎn)。Heisenberg Quantum Simulations聯(lián)合創(chuàng)始人邁克爾·馬薩勒（Michael Marthaler）希望他的公司能夠確立穩(wěn)固的地位，為“過冬”做好準(zhǔn)備。其他觀察人士則警告稱，倘若量子計(jì)算技術(shù)轉(zhuǎn)向出人意料的方向，目前撰寫的很多軟件可能過時(shí)。
但即使量子計(jì)算從春天進(jìn)入冬天，夏天最終到來的概率仍然很大。這在以前經(jīng)常發(fā)生。借用經(jīng)濟(jì)歷史學(xué)家卡洛塔·佩雷茲（Carlota Perez）發(fā)明的概念，革命性的技術(shù)總會(huì)經(jīng)過一段“鍍金時(shí)代”，此時(shí)通常會(huì)伴隨著泡沫的興起，最終還是會(huì)進(jìn)入廣泛部署的“黃金年代”。我們沒有什么理由認(rèn)為量子計(jì)算會(huì)脫離這個(gè)路徑。