量子計(jì)算機(jī)走入現(xiàn)實(shí)仍需多年：性能迄今未超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)性能的提升面臨挑戰(zhàn)，光子計(jì)算、量子計(jì)算、生物計(jì)算等新的技術(shù)都引發(fā)了業(yè)界關(guān)注。量子計(jì)算被認(rèn)為能夠解決傳統(tǒng)計(jì)算不能解決的問(wèn)題，但目前量子計(jì)算面臨諸多挑戰(zhàn)，性能還未超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。從實(shí)踐者的角度看，量子計(jì)算的部署至少還需要幾年時(shí)間。

到目前為止，提到量子計(jì)算大部分人都會(huì)認(rèn)為這是一種革命性的技術(shù)，它利用量子力學(xué)的奇特特性更快解決問(wèn)題，甚至解決普通計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。這些問(wèn)題從數(shù)學(xué)到零售業(yè)，從物理到金融。如果率先掌握量子技術(shù)，將有利于提升國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力。

量子計(jì)算的前景在20世紀(jì)80年代首次得到認(rèn)可，但至今仍未實(shí)現(xiàn)。量子計(jì)算機(jī)難以設(shè)計(jì)、建造和編程。其中，相干性、量子損失是巨大的挑戰(zhàn)，這對(duì)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，這可能會(huì)導(dǎo)致重要程序在運(yùn)營(yíng)之前系統(tǒng)就崩潰。

雷鋒網(wǎng)了解到，目前全球有許多巨頭都參與了量子計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)外的IBM、谷歌、英特爾，國(guó)內(nèi)阿里、華為都取得了不同程度的進(jìn)展，學(xué)術(shù)界以及國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也有量子計(jì)算的相關(guān)研究。

雖然IBM，谷歌和IonQ正在測(cè)試50 、72甚至-160量子位的設(shè)備，但每增加一個(gè)量子位就會(huì)使機(jī)器復(fù)雜程度增加兩倍，在這些量子位有限的系統(tǒng)中，研究人員只能在量子衰減之前執(zhí)行少量量子操作或“門”。太多的量子比特會(huì)使系統(tǒng)崩潰。

不僅如此，建造和操作量子計(jì)算機(jī)的每一步都很難，與傳統(tǒng)的芯片不同，要么用激光捕獲單個(gè)原子，要么用激光器來(lái)制造。這通常需要將處理器保持在幾乎絕對(duì)零度，控制這個(gè)系統(tǒng)被證明非常困難，電磁脈沖的設(shè)計(jì)必須完美設(shè)計(jì)，因?yàn)閬?lái)自外部環(huán)境的一小部分能量可能導(dǎo)致量子比特衰減。

由振動(dòng)、溫度波動(dòng)、電磁波還有其他外部環(huán)境的相互作用引起的這種相干性（稱為退相干）的損失最終破壞了量子的奇異特性。鑒于目前普遍存在的退相干和其他問(wèn)題，當(dāng)代量子計(jì)算機(jī)不太可能返回完全正確的答案，即使運(yùn)行的時(shí)間比較短。

雖然技術(shù)和架構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)正在解決這些問(wèn)題，但現(xiàn)有的硬件平臺(tái)不能保持一致性并提供大規(guī)模量子計(jì)算所需的強(qiáng)大糾錯(cuò)能力。或許，幾年之后可能會(huì)取得突破。

與此同時(shí)，這個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的問(wèn)題是，在完成普及的計(jì)算方式之前，我們?nèi)绾螐囊慌_(tái)不可靠的計(jì)算機(jī)中獲得有用的結(jié)果？

答案是，工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員都在尋求減少錯(cuò)誤的方法。一種方法是基于各種噪聲大小的計(jì)算結(jié)果來(lái)猜測(cè)無(wú)差錯(cuò)計(jì)算的結(jié)果。另一種完全不同的方法是，混合量子經(jīng)典算法，只在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序中最關(guān)鍵的部分，大部分程序運(yùn)行在更穩(wěn)定的經(jīng)典計(jì)算機(jī)上。事實(shí)證明，這些策略和其他策略對(duì)于應(yīng)對(duì)當(dāng)今量子計(jì)算機(jī)的干擾問(wèn)題非常有用。

雖然經(jīng)典計(jì)算機(jī)也受到各種錯(cuò)誤的影響，但這些錯(cuò)誤可以通過(guò)適量的額外存儲(chǔ)和邏輯來(lái)糾正。量子誤差校正方案確實(shí)存在，但會(huì)消耗大量的量子位（量子位），以至于只有相對(duì)較少的量子位能用于實(shí)際計(jì)算。這將使量子計(jì)算機(jī)可以計(jì)算的任務(wù)大大減少。

為了更清楚地了解量子比特的消耗，今天最先進(jìn)的基于量子門的量子計(jì)算機(jī)，它使用類似于計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)或平板電腦中的數(shù)字電路的邏輯門，目前，最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)只有50個(gè)量子位。而目前常見(jiàn)的計(jì)算設(shè)備中通常有數(shù)十億個(gè)邏輯門。

麻煩的是，量子力學(xué)挑戰(zhàn)了我們的直覺(jué)。因此，我們很難找出執(zhí)行任務(wù)的最佳算法。為了克服這些問(wèn)題，Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種方法來(lái)優(yōu)化在相干的量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行有用任務(wù)的算法。

算法可以理解為是告訴計(jì)算機(jī)執(zhí)行操作的列表，類似于烹飪的配方。與傳統(tǒng)算法相比，量子計(jì)算的算法最好盡可能短，并且研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，最適合于給定硬件設(shè)備的特定缺陷和噪聲方案。這使得該算法能夠在退相干之前在約束時(shí)間框架內(nèi)執(zhí)行更多的處理步驟，從而將正確結(jié)果盡可能提高。這種方法的主要思想是減少門的數(shù)量，試圖在退相干之前完成執(zhí)行，讓其他錯(cuò)誤來(lái)源沒(méi)有成功的可能性。

當(dāng)然，量子計(jì)算正一步步走向商用。摩根大通 （JPMorgan Chase&Co）看到了將量子計(jì)算作為一種具備潛力顯著加速金融計(jì)算的方法，自2017年底以來(lái)，該銀行一直與IBM的研究人員合作，試驗(yàn)量子計(jì)算。

雖然距離部署還需要幾年時(shí)間，但摩根大通已經(jīng)看到了一些小的成果，包括在理論上證明量子計(jì)算可以從根本上加速某些金融模型的成功。

摩根大通公司和投資銀行定量研究總經(jīng)理Ning Shen表示，這項(xiàng)技術(shù)需要幾年時(shí)間才能成熟，部分原因是所需的硬件非常復(fù)雜，適應(yīng)和創(chuàng)建新的量子算法需要時(shí)間。

至于公司何時(shí)可以開(kāi)始從量子計(jì)算中看到可衡量的商業(yè)價(jià)值，時(shí)間從三年到十年不等，但這并不能阻止像摩根大通這樣的公司進(jìn)行早期試驗(yàn)。值得注意的是，據(jù)Gartner的預(yù)測(cè)，到2023年，包括企業(yè)或政府在內(nèi)的組織預(yù)計(jì)將有20％為量子計(jì)算項(xiàng)目準(zhǔn)備預(yù)算，而2018年不到1％ 。