量子計算，它是什么以及我們?yōu)槭裁匆P(guān)心它？

雖然量子計算聽起來像是科幻小說中的概念，但許多專家認為它只是技術(shù)進步的下一個必然步驟。在人工智能 (AI) 占據(jù)所有頭條新聞的同時，各國也在悄悄投入數(shù)十億美元用于量子研究，每個國家都希望成為第一個量子超級大國。

我們采訪了《嬰兒量子計算》一書的作者 William Hurley (Whurley)，他是該領(lǐng)域的一位遠見卓識者，他的使命是將量子硬件連接到可以使用它們的組織。

問：Whurley，你在職業(yè)生涯中做過很多不同的事情，從早年在 Apple 和 IBM 等科技巨頭公司擔任工程師，到自己成為一名企業(yè)家。那么，為什么是量子？

答：人們總是在尋找下一個“范式轉(zhuǎn)變”，但它往往被夸大和夸大了。但就量子計算而言，事實并非如此。事實上，將其稱為范式轉(zhuǎn)變有點輕描淡寫。這是非常前沿的東西，它超級、超級酷，它將在很多很多方面改變世界。

問：首先，我想聽聽您定義什么是量子計算會很有幫助。

答：在基本層面上，想想拋硬幣——在平面上拋硬幣是正面還是反面。如果是正面，就是一個；如果是尾巴，則為零。這就是您可以想到的古典建筑。量子計算就像拋向空中的硬幣。它處于一、零或兩者的恒定狀態(tài)。我們不知道它是什么，直到我們把它停下來。關(guān)于量子計算，你聽到的第一件事就是經(jīng)典比特已經(jīng)死了，量子計算將取代經(jīng)典計算，它將永遠改變世界。我認為它可能有一天會做那些事情；但就目前而言，將量子計算的實現(xiàn)更多地視為 GPU、云處理器或協(xié)處理器。

問：那么，量子計算機是什么樣子的？我正在設(shè)想一個機械臂拋硬幣！

答：哈。好吧，不完全是。目前有三種類型的量子計算機：

量子退火爐。退火器是元啟發(fā)式的。他們使用磁場以絕熱方式（緩慢地）將一種量子態(tài)演變成另一種代表您要解決的問題的量子態(tài)。

電路門模型。電路門模型的工作方式有點像您在經(jīng)典計算機系統(tǒng)中通過對量子位應(yīng)用一系列操作所習慣的工作方式。

拓撲模型。拓撲量子計算是一些真正的黑魔法。

盡管有幾種不同的方法來創(chuàng)建量子位，但它們看起來都非常相似——一個大圓柱體，或者在 D-Wave 的情況下，一個立方體。如果你看一下量子計算機的內(nèi)部，它們看起來就像一個大房間，里面有一盞巨大的枝形吊燈。吊燈的最底部是真正的量子計算機。該結(jié)構(gòu)的其余部分用于將粒子冷卻至 5mK 至 15mK 之間的任何位置。

問：量子計算是從什么時候開始流行的？

A：量子計算實際上已經(jīng)存在了很長時間。這個概念本身是在 1982 年創(chuàng)造的，但它可以追溯到更早的時候。在 1927 年的索爾維會議上，世界上一些最偉大的物理學家——薛定諤、愛因斯坦和海森堡——討論了新制定的量子理論。從那里，出現(xiàn)了薛定諤的貓、糾纏以及愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論等一系列其他概念。這些概念為 Feynman、Benioff 和 Manin 在 80 年代提出的概念奠定了基礎(chǔ)。我們在 90 年代開始看到量子算法，在 00 年代看到第一個硬件。但在 2014 年，你真的會看到投資、初創(chuàng)企業(yè)、專利和材料科學優(yōu)勢方面的突然上升?，F(xiàn)在，我們正處于它真正成為現(xiàn)實的邊緣。

問：為什么是現(xiàn)在？為什么突然的緊迫感和努力？

答：經(jīng)典計算的基礎(chǔ)是 1 和 0。如果我們阻止一個信號，它就是一個零。如果我們讓一個信號通過，它就是一個信號。計算機是巨大的算盤，但同時也變得非常小。您擁有的智能手機由 10 納米芯片驅(qū)動，其中包含 30 億個晶體管。這些設(shè)備變得如此之小，以至于一些科學家擔心，一旦我們達到 7nm、5nm 和 3nm，量子力學就會生效，我們將無法阻擋信號。量子隧穿——你試圖阻止信號，但無論如何它都會通過——遲早會發(fā)生。當它發(fā)生時，經(jīng)典計算的改進將急劇放緩。

問：這就是量子霸權(quán)的意思嗎？

答：很多人使用量子霸權(quán)這個詞。我理解這個詞；但是，我不是它的忠實粉絲，因為它給業(yè)內(nèi)人士的印象是量子計算機將以某種方式取代經(jīng)典計算機。事實并非如此。我們需要經(jīng)典計算機來控制所有進出數(shù)據(jù)、低溫學，以及系統(tǒng)中的所有內(nèi)容。我們從經(jīng)典計算機中獲取它，我們將控制信息發(fā)送進來，然后再發(fā)送出去。我不認為量子計算機是你運行所有東西的東西，因為在不久的將來要做到這一點，你需要數(shù)百萬、數(shù)百萬、數(shù)百萬的量子比特。迄今為止，我們只實現(xiàn)了大約 72 個量子比特。所以，把量子計算機想象成一個協(xié)處理器。

問：對于今天的軟件和硬件工程師來說，將量子計算納入方程式是否是一個輕松的過渡？

答：嗯，在經(jīng)典計算機中，你有電路、模塊、門和晶體管。在過去，你必須是一名工程師才能對計算機進行編程，因為你必須了解柵極之間的電壓。然后，過了一段時間，你只需要了解大門?，F(xiàn)在，我們有甚至不知道有門的軟件工程師。所以這些事情通常是一個進展?，F(xiàn)在，你必須是一名物理學家才能為量子計算機編程。目標是將量子計算帶到一個你只需要知道門然后有一些抽象層的地方，這樣你就可以將它用于你正在做的任何事情。

問：這可能引出了最重要的問題，您實際上可以用量子計算機做什么？

答：量子計算機幫助我們解決真正大的問題。以經(jīng)典的旅行推銷員為例。您有一臺每秒執(zhí)行 10 到 9 次操作的計算機，您希望使用往返的最短路徑將您的銷售人員派往 14 個城市。如果要檢查所有旅行組合，經(jīng)典計算機需要大約 1000 秒才能找到解決方案。如果你必須派你的銷售人員去 22 個城市，經(jīng)典計算機需要大約 1600 年才能找到解決方案。而如果你想讓你的銷售人員去 28 個城市，這比經(jīng)典計算機在已知宇宙中計算出答案所花費的時間還要長。量子計算機可以在合理的時間內(nèi)解決該問題。

另一個很好的例子是量子計算如何徹底改變化學和科學研究。以咖啡因分子為例?？Х纫蚍肿又杏?95 個電子，您可以在很大程度上對其進行建模。當您想到在經(jīng)典架構(gòu)上為咖啡因模塊建模所需的內(nèi)存計算大小時，這在天文數(shù)字上是巨大的，而且是不可能的。但是，您可以在具有 160 個量子位的量子計算機上進行相同的建模。我們已經(jīng)達到了 72 個量子位。有傳言說到今年年底我們將達到 150-200；雖然被授予，但我們?nèi)匀淮嬖诒Ｕ娑葐栴}。不管怎樣，我們可以用量子計算機來解決這些非常大、非常困難的數(shù)學建模問題。它將改進搜索算法、人工智能、機器學習和交通，并幫助找到治療疾病和全球變暖的方法。今天，大多數(shù)氣候研究都不準確，因為您使用的是經(jīng)典系統(tǒng)來模擬量子力學世界。由于大自然是量子力學的，因此量子計算機可能會建立更好的氣候模型，這些模型可能比我們今天所做的近似猜測更準確并提供更好的數(shù)據(jù)。

我們現(xiàn)在想解決所有這些問題，但我們沒有計算能力。量子計算將使我們獲得那種計算能力。我認為我們將在未來 3-5 年內(nèi)擁有 1000 個量子比特。1000到10000的路程比較短。一旦達到 10,000，就可以開始尋找數(shù)百萬個量子位。我認為我們會在 5 年內(nèi)擁有數(shù)百萬個量子比特嗎？不，但是隨著技術(shù)的進步，我們可以使用該技術(shù)來解決一些問題和材料科學建模，從而進一步加速它。

問：如果一個國家在世界其他國家之前破解量子，它是否會給一個國家?guī)頋撛诘牟还絻?yōu)勢？

答：很多國家都從國家安全的角度談?wù)摿孔佑嬎悖F(xiàn)在每個量子研究人員都在與來自世界各地的其他人合作。所以如果你想要進步，你就不能把它鎖起來。我認為這應(yīng)該是一種開源技術(shù)。我認為它應(yīng)該是一種基于世界的技術(shù)——像影響我們生活的許多事情一樣民主化。全世界有很多大學都在研究這個主題。量子計算，而不是人工智能，是我們這一代人的太空競賽。因為有更多的資金投入、加密威脅的風險、治愈疾病的潛力和做事的能力，所以這是一個非常重要的領(lǐng)域。

問：如何參與量子計算？

A：我會鼓勵每個人都參與進來。大公司正在為開發(fā)人員啟動程序。還有許多開源程序。不要害怕。如果您對量子計算和未來感興趣，請受到啟發(fā)。

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