本周，《IEEE Spectrum》刊登了一篇出色的文章，對(duì)量子計(jì)算（QC）的近期前景進(jìn)行了深入探討。

文章的目的并不是要給量子計(jì)算的前景潑冷水，而是要說(shuō)明量子計(jì)算的前景還很遙遠(yuǎn)，并提醒讀者量子計(jì)算的用例可能很窄。

不僅如此，這篇報(bào)道還強(qiáng)調(diào)了哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)最近在糾錯(cuò)和邏輯量子比特的使用方面取得的進(jìn)展，以此說(shuō)明事物變化的速度有多快。

這篇文章（Quantum Computing’s Hard Cold Reality Check）是一篇引人入勝的快讀作品，在此，光子盒團(tuán)隊(duì)將全文編譯整理，呈現(xiàn)給各位讀者們。

量子計(jì)算機(jī)革命可能比許多人認(rèn)為的更遙遠(yuǎn)、更有限。這是新興的量子計(jì)算行業(yè)內(nèi)和周圍一小撮著名的懷疑論者發(fā)出的信息。

量子計(jì)算機(jī)被吹捧為解決金融建模、優(yōu)化物流和加速機(jī)器學(xué)習(xí)等一系列問(wèn)題的方案。量子計(jì)算公司提出的一些雄心勃勃的時(shí)間表表明，這些機(jī)器可能會(huì)在短短幾年內(nèi)影響現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題。

但是，在許多人看來(lái)，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)不切實(shí)際的期望遭到了越來(lái)越多的反對(duì)。

Yann LeCun

Meta公司人工智能研究負(fù)責(zé)人Yann LeCun最近上了頭條，他對(duì)量子計(jì)算機(jī)在不久的將來(lái)做出重大貢獻(xiàn)的前景潑了一盆冷水。

在一次慶祝Meta基礎(chǔ)人工智能研究團(tuán)隊(duì)成立10周年的媒體活動(dòng)上，他說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)是“一個(gè)引人入勝的科學(xué)課題”，但他對(duì)“制造出真正有用的量子計(jì)算機(jī)的可能性”不太相信。

雖然LeCun并不是量子計(jì)算領(lǐng)域的專家，但該領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物也發(fā)出了謹(jǐn)慎的聲音。亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司（Amazon Web Services）量子硬件主管奧斯卡·佩因特（Oskar Painter）說(shuō)，目前該行業(yè)存在“大量炒作”，“很難從完全不切實(shí)際的幻想中過(guò)濾出樂(lè)觀的一面”。

當(dāng)今量子計(jì)算機(jī)面臨的一個(gè)根本挑戰(zhàn)是它們非常容易出錯(cuò)。一些人認(rèn)為，這些所謂的“含噪聲的中等規(guī)模量子計(jì)算”（NISQ）處理器仍然可以發(fā)揮有用的作用。但佩因特說(shuō)，越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到這是不可能的，量子糾錯(cuò)方案將是實(shí)現(xiàn)實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。

最主要的建議是將信息分散到許多物理量子比特上，以創(chuàng)建更強(qiáng)大的“邏輯量子比特”，但這可能需要為每個(gè)邏輯量子比特配備多達(dá)1000個(gè)物理量子比特。有些人甚至認(rèn)為，量子糾錯(cuò)從根本上說(shuō)是不可能的，不過(guò)這并非主流觀點(diǎn)。佩因特說(shuō)，無(wú)論如何，以所需的規(guī)模和速度實(shí)現(xiàn)這些方案仍然是一個(gè)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。

“鑒于實(shí)現(xiàn)能夠在數(shù)千量子比特上運(yùn)行數(shù)十億門的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)仍然存在技術(shù)挑戰(zhàn)，因此很難給出一個(gè)時(shí)間表，但我估計(jì)至少還需要十年時(shí)間?！?/p>

奧斯卡·佩因特（Oskar Painter）

問(wèn)題不僅僅在于時(shí)間尺度。

今年5月，微軟技術(shù)研究員馬蒂亞斯·特羅伊（Matthias Troyer）在《ACM通信》（Communications of the ACM）雜志上發(fā)表了一篇論文，指出量子計(jì)算機(jī)能夠提供有意義優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用數(shù)量比某些人可能認(rèn)為的要有限。

馬蒂亞斯·特羅伊（Matthias Troyer）

論文鏈接：

https://cacm.acm.org/magazines/2023/5/272276-disentangling-hype-from-practicality-on-realistically-achieving-quantum-advantage/fulltext

他說(shuō)：“我們?cè)谶^(guò)去10年中發(fā)現(xiàn)，人們提出的許多建議都行不通。然后我們找到了一些非常簡(jiǎn)單的原因?！?/p>

量子計(jì)算的主要承諾是能夠以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快得多的速度解決問(wèn)題，但具體快多少卻各不相同。特羅伊說(shuō)，在兩種應(yīng)用中，量子算法似乎能提供指數(shù)級(jí)的速度：一種是對(duì)大數(shù)進(jìn)行因式分解，這可以破解互聯(lián)網(wǎng)所依賴的公開(kāi)密鑰加密；另一個(gè)是模擬量子系統(tǒng)，可應(yīng)用于化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域。

量子算法已被提出用于一系列其他問(wèn)題，包括優(yōu)化、藥物設(shè)計(jì)和流體動(dòng)力學(xué)。但是，量子算法所宣稱的提速并不總能實(shí)現(xiàn)：有時(shí)只是二次增益，即量子算法解決問(wèn)題所需的時(shí)間是經(jīng)典算法所需的時(shí)間的平方根。

特羅伊說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的大量計(jì)算開(kāi)銷很快就會(huì)抵消這些收益。操作一個(gè)量子比特要比開(kāi)關(guān)一個(gè)晶體管復(fù)雜得多，因此速度要慢上幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著，對(duì)于較小的問(wèn)題，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度總是更快，而量子計(jì)算機(jī)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)取決于經(jīng)典算法復(fù)雜性的擴(kuò)展速度。

特羅伊和他的同事將一臺(tái)Nvidia A100 GPU與一臺(tái)虛構(gòu)的未來(lái)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了比較，后者擁有10,000個(gè)“邏輯量子比特”、門的速度比現(xiàn)在的設(shè)備快得多。

特羅伊說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)，在處理大到足夠有用的問(wèn)題時(shí)，具有四倍速度的量子算法必須運(yùn)行幾個(gè)世紀(jì)，甚至幾千年，才能勝過(guò)經(jīng)典算法。

另一個(gè)重大障礙是數(shù)據(jù)帶寬。量子運(yùn)行速度慢，從根本上限制了經(jīng)典數(shù)據(jù)進(jìn)出量子計(jì)算機(jī)的速度。特羅伊解釋道，即使在未來(lái)樂(lè)觀的情況下，這種速度也可能比經(jīng)典計(jì)算機(jī)慢數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)倍。

這意味著在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)或數(shù)據(jù)庫(kù)搜索等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用幾乎肯定無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

特羅伊表示，結(jié)論是量子計(jì)算機(jī)只有在小數(shù)據(jù)問(wèn)題上才能真正發(fā)揮指數(shù)級(jí)的速度?！笆Ｏ碌亩际敲利惖睦碚?#xff0c;但不會(huì)實(shí)用?！彼a(bǔ)充道。

性能比較。隨著量子速度的提升，量子計(jì)算機(jī)所需的運(yùn)算量將逐漸少于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。然而，由于操作復(fù)雜度高、門操作慢，量子計(jì)算機(jī)上的每個(gè)操作都比相應(yīng)的經(jīng)典操作慢。如附圖所示，對(duì)于小問(wèn)題，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度總是更快，而量子優(yōu)勢(shì)會(huì)在一個(gè)與問(wèn)題相關(guān)的交叉尺度之后實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)尺度上，量子加速帶來(lái)的增益會(huì)克服量子計(jì)算機(jī)的持續(xù)減速

特羅伊說(shuō)，這篇論文在量子界并沒(méi)有產(chǎn)生多大影響，但微軟的許多客戶都很高興能清楚地了解量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用。

“他們已經(jīng)看到一些公司縮小甚至關(guān)閉了量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)，其中包括金融和生命科學(xué)領(lǐng)域的公司?！?/p>

斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校計(jì)算機(jī)科學(xué)教授斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）說(shuō)，對(duì)于一直密切關(guān)注量子計(jì)算研究的人來(lái)說(shuō)，這些限制其實(shí)并不奇怪。

“有人聲稱量子計(jì)算將徹底改變機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化和金融等所有這些行業(yè)，我認(rèn)為對(duì)此持懷疑態(tài)度總是有道理的。如果人們現(xiàn)在才意識(shí)到這一點(diǎn)，那么，歡迎你們?！?/p>

雖然他也認(rèn)為實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但該領(lǐng)域最近取得的進(jìn)展確實(shí)讓他有理由感到樂(lè)觀。本月早些時(shí)候，來(lái)自量子計(jì)算初創(chuàng)公司QuEra和哈佛大學(xué)的研究人員證明，他們可以使用280量子比特處理器生成48個(gè)邏輯量子比特——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)之前的實(shí)驗(yàn)所能做到的。

阿倫森說(shuō)：“這無(wú)疑是幾年來(lái)最大的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展?！?/p>

QuEra公司首席營(yíng)銷官尤瓦爾·博格（Yuval Boger）極力強(qiáng)調(diào)，該實(shí)驗(yàn)只是實(shí)驗(yàn)室演示，但他認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓一些人重新評(píng)估了容錯(cuò)量子計(jì)算的時(shí)間尺度。但他同時(shí)表示，他們也注意到有一種趨勢(shì)，即一些公司正在悄悄地將資源從量子計(jì)算中轉(zhuǎn)移出來(lái)。

他說(shuō)，這在一定程度上是由于自大型語(yǔ)言模型出現(xiàn)以來(lái)，人們對(duì)人工智能的興趣日益濃厚。但他也認(rèn)為，業(yè)內(nèi)有些人夸大了這項(xiàng)技術(shù)的近期潛力，并認(rèn)為這種炒作是一把雙刃劍。他說(shuō)：“這有助于獲得投資，讓有才能的人興奮地進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。但另一方面，當(dāng)你說(shuō)量子技術(shù)將解決世界上所有的問(wèn)題，但后來(lái)它并沒(méi)有解決，或者現(xiàn)在還沒(méi)有解決，這就會(huì)讓人有點(diǎn)失望。”

即使在量子計(jì)算機(jī)看起來(lái)最有前景的領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍也可能比最初希望的要窄。

量子為什么更快？破解加密或繪制分子結(jié)構(gòu)圖等問(wèn)題可能需要對(duì)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的可能性進(jìn)行排序

近年來(lái)，科學(xué)軟件公司薛定諤（Schr?dinger）和一個(gè)多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)的研究人員發(fā)表的論文表明，只有數(shù)量有限的量子化學(xué)問(wèn)題有可能從量子提速中受益。

與可能的短期量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用相關(guān)的分子特征比較

論文鏈接：

https://arxiv.org/pdf/2009.12472.pdf

菲利普·哈巴赫（Philipp Harbach）

德國(guó)制藥巨頭默克公司（Merck KGaA，位于德國(guó)達(dá)姆施塔特）的集團(tuán)數(shù)字創(chuàng)新全球負(fù)責(zé)人菲利普·哈巴赫（Philipp Harbach）說(shuō)，同樣重要的是要記住，許多公司已經(jīng)擁有成熟且富有成效的量子化學(xué)工作流程，這些流程是在經(jīng)典硬件上運(yùn)行的。

他說(shuō)：“在公眾中，量子計(jì)算機(jī)被描繪得好像它能實(shí)現(xiàn)目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的東西，這是不準(zhǔn)確的。主要是，它將加速現(xiàn)有的流程，而不是引入一個(gè)完全顛覆性的新應(yīng)用領(lǐng)域。因此，我們正在評(píng)估這里的差異?！?/p>

哈巴赫的研究小組研究量子計(jì)算與默克公司工作的相關(guān)性已經(jīng)有大約六年的時(shí)間。雖然NISQ設(shè)備有可能用于某些高度專業(yè)化的問(wèn)題，但他們得出的結(jié)論是，在實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)之前，量子計(jì)算不會(huì)對(duì)工業(yè)產(chǎn)生重大影響。

哈巴赫說(shuō)，即使到那時(shí)，這種影響的變革性究竟有多大，還要取決于具體的用例和公司正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。

量子計(jì)算機(jī)在為經(jīng)典計(jì)算機(jī)在更大規(guī)模上難以解決的問(wèn)題提供精確解決方案方面大放異彩。哈巴赫說(shuō)，這對(duì)某些應(yīng)用可能非常有用，比如設(shè)計(jì)新型催化劑；但默克公司感興趣的大多數(shù)化學(xué)問(wèn)題都涉及快速篩選大量候選分子。

“量子化學(xué)中的大多數(shù)問(wèn)題都不是指數(shù)級(jí)的，有近似值就足夠了。它們都是表現(xiàn)良好的問(wèn)題，你只需要讓它們隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大而變得更快?！?/p>

盡管如此，微軟的特羅伊仍有理由感到樂(lè)觀。即使量子計(jì)算機(jī)只能解決化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的有限問(wèn)題，其影響仍可能改變游戲規(guī)則。他說(shuō)：“我們談?wù)撌鲿r(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代和硅時(shí)代，因此材料對(duì)人類的影響是巨大的?！?/strong>

“提出一些懷疑的目的并不是要削弱人們對(duì)這一領(lǐng)域的興趣，而是要確保研究人員專注于量子計(jì)算最有前途、最有可能產(chǎn)生影響的應(yīng)用?！?/p>

參考鏈接：

[1]https://spectrum.ieee.org/quantum-computing-skeptics

[2]https://www.hpcwire.com/2023/12/22/taking-a-hard-eyed-look-at-quantums-near-term-prospects/

[3]https://www.bloomberg.com/news/articles/2023-12-24/what-is-quantum-computing-what-do-quantum-computers-do-and-can-i-get-one?fromMostRead=true

[4]https://thedebrief.org/quantum-2-0-discovering-the-next-generation-of-quantum-technology/