量子计算时代，没人愿意活在谷歌、IBM阴影之下
很难想象，一个生涩难懂的物理学概念竟然如此受欢迎
解释不通、平行时空，遇事不决、量子力学。
很难想象，一个生涩难懂的物理学概念竟然能够在网络上如此受欢迎，以至于出现了量子速读班、量子健康杯、量子鞋垫、量子微整……
纵观人类近现代历次技术革命，从蒸汽机引领的第一次工业革命到电力引用引领的第二次工业革命，再到半导体引导的第三次科技革命，每一次技术革命都是科学家与实验室点燃火种，企业往市场这个熔炉中添煤加碳，最终完成一次技术革命。
量子速读班的故事虽然荒诞，并且研究人员并不了解量子世界的一切，但研究人员知道量子粒子具有巨大的潜力，特别是能够保存和处理大量的信息，成功地将这些粒子控制在量子计算机中，可能会引发计算能力的爆炸式增长，从而显著推进许多需要复杂计算的领域的创新，如药物发现、气候建模、财务优化或物流。
正如IBM首席量子指数员鲍勃·苏托尔（Bob Sutor）所言：“量子计算是我们模拟自然的方式，可以解决极其困难的问题，并使之变得可控。”
不过什么是量子计算机？量子计算机能够带来哪些改变？量子计算机距商业化还有多远？无论是研究人员还是科技巨头均还需奋力思考与探索。
不过就现阶段探索来看，IBM、Google、Microsoft 等科技巨头以及加拿大量子计算机公司 D-Wave 在这场量子计算革命中处于领先地位，而国内企业相对还处于追赶之位，仅量子计算初创公司本源量子以 77 件专利跻身全球第七，阿里、百度、华为则未进入top10，仍活在谷歌、IBM量子霸权（代表量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力）之下。
01 什么是量子计算机？
量子计算机目前有超导量子、离子阱、硅（芯片）量子点、拓扑、常温光量子、核磁共振等多种技术路径，但它们都建立在同一原理之上：它们承载着一个量子处理器，可以分离量子粒子供工程师操作。
数据来源：钛媒体
这些量子粒子的性质以及用于控制它们的方法因量子计算方法而异。有些方法要求处理器冷却到冰点温度，有些方法要求使用激光玩量子粒子，但共同的目标是找出如何最好地利用量子物理学的价值。
量子计算机和古典计算机存在巨大差异。
自20世纪40年代以来，我们一直以各种形状和形式使用的系统——笔记本电脑、智能手机、云服务器、超级计算机——被称为经典计算机，他们都是基于比特（又称“位”，是一个为设备中发生的每个计算提供动力的信息单元）的。
在经典计算机中，每个比特都可以承担一个或零值来表示和传输用于执行计算的信息。使用比特开发人员可以编写程序，这些程序集由计算机读取和执行，也正因如此经典计算机的逻辑是“遍历”，即大海捞针式的去排除问题寻找最优解。
因此，经典设备仍存在许多无法解决的大问题。Sutor表示：“在经典系统上推演计算复杂问题是可以用的，但它们可能需要数百万年，或者使用地球上总共存在的计算机内存。"
而量子计算机呢？
任何量子计算机的核心是量子比特（也称为量子位），可以松散地与处理经典计算机中信息的比特进行比较。量子比特是由自然界中发现的量子粒子构成的，量子粒子对量子计算最有用的特性之一被称为叠加，它允许量子粒子同时存在于几个状态，就好比抛出去的硬币，量子粒子不止有落地后的正反面，而且过程中还能旋转。
通过控制量子粒子，研究人员可以用数据加载它们来创建量子比特，由于量子叠加单个量子比特不必是一个1或一个0，甚至可以同时兼而有之。这意味着计算复杂运算时，量子计算机可以同时使用量子比特运行多个计算来找到答案，并行探索许多不同的途径。
因此在针刺场景中，量子计算机能够在几秒钟内找到针头，而经典计算机则需要长达数百年的计算。
更重要的是由于另一种称为纠缠的量子属性，量子比特可以物理地连接在一起，这意味着如果将每个量子位添加到系统中，设备的功能会呈指数级增长。如果当达275个量子比特时，我们可以计算比可观测宇宙中的原子更多的信息。
数据来源：IBM
02 为什么都要发展量子计算机？
前面提到，目前量子计算机不仅是科技巨头的角斗场，也吸引着众多科研机构与一众创业公司前往，为什么都要发展量子计算机？
一个字：省。
“在很多情况下时间就是金钱，能够更快地做事将对业务产生重大影响。”德勤咨询董事总经理斯科特·布赫霍尔茨说道。
研究人员预计，量子计算对单个项目所产生的时间收益低至几小时，高达上百年。在看文章的短短几分钟内，量子计算机（并非现在）可能就已计算出当今最强超级计算机都无法解决的问题答案。
当然量子计算机也可优化节省现有工作，例如做算法优化。据悉，美石油组织埃克森美孚已寻求IBM合作寻找量子算法，以便后续管理并缩短每天穿越海洋的5万艘商船航行时间与距离。
同时量子仿真算法有望带来前所未有的结果，因为量子特性可使研究人员能够处理大型系统中分子之间复杂相互作用的模拟和预测，从而在材料科学和药物发现等领域取得更快的突破。随着量子计算机能够处理和处理更大的数据集，人工智能和机器学习应用程序也将受益匪浅，具有更快的训练时间和更有能力的算法。
对此，各大巨头给出了不同的解法。
IBM与谷歌选择了最为常规的超导量子计算路线，这是由电子制成并以熟悉的吊灯状量子计算机，目前都开发了超导处理器并实现了量子霸权。
量子计算机
由于量子比特也可由硅自旋量子位（英特尔专注于该量子位）创建，也可以由冷原子甚至钻石创建，所以而像Xanadu和PsiQuantum等巨头投资了另一种依靠光量子粒子（称为光子）来编码数据和创建量子位的方法——常温光量子。
量子退化是D-Wave选择的一种方法，是一种完全不同的计算类别。它不依赖于与其他量子处理器相同的范式，称为门模型。量子退化处理器更容易控制和操作，这就是为什么D-Wave已经开发出能够操纵数千个量子位的设备，而所有其他量子硬件公司都在处理大约100个量子位或更少的量子位，不过量子退化方法有一个巨大短板，仅适用于一组特定的优化问题，在功能上有较大的限制。
03 量子计算机距商用还有多远？
虽然目前各大科技巨头频频传出捷报，但必须明白的一点是取得量子霸权仍是当前量子计算机行业的主旋律。
数据来源：前瞻产业研究院
2019年，谷歌率先表态，表示其54个量子的超导处理器Sycamore已经实现了量子霸权。据谷歌透露，Sycamore在短短200秒内就可计算出了一个需要1万年才能完成的问题的答案。
2020年末，中国量子计算研究构建的76个光子的量子计算原型机“九章”已实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解，也实现了量子霸权。
然而无论是谷歌的Sycamore，还是中国的九章，为了保持量子位旋转，需要将它们与任何可能导致它们失去量子状态的环境干扰隔离，只能在特定的环境下运行特定的计算任务。同时其量子比特仍在100上下，要使量子计算机开始进行有意义的计算，量子比特的规模必须达到成百上千，如果要达到通用计算机标准则还需要解决刻薄的环境要求。
布赫霍尔茨说：“虽然人们对量子计算机有着巨大的希望和兴奋，并且量子计算机有朝一日一定能做什么，但我认为他们今天能做的事情相对来说并不尽如人意。”
不过波士顿咨询集团（BCG）仍给予了量子计算机较高的期望，他们认为量子计算的进步将在未来15至30年内创造高达8500亿美元的价值，如果主要供应商如他们承诺的那样交付这项技术，其中50亿至100亿美元将在未来五年内产生。
目前量子计算主要有两方面的商业尝试，其一是量子软件。量子软件相对于硬件的高投入与高技术来说，相对更容易一些，但仍充满荆棘。创建量子算法并不像使用经典算法并使其适应量子世界那么简单。相反，量子计算需要一种全新的编程模式，这种模式只能在全新的软件堆栈上运行。
目前一些硬件提供商也开发软件工具，其中最成熟的是IBM的开源量子软件开发套件Qiskit。除此之外，包括专门致力于创建量子软件的公司，例如萨帕塔、QC Ware 或 1QBit等企业，均提供了理解量子语言的工具。
越来越多的有希望的伙伴关系正在形成，将生态系统的不同部分聚集在一起。例如，霍尼韦尔公司（霍尼韦尔公司）和量子软件公司剑桥量子计算公司（CQC）最近结成联盟，让分析师预测，一个新的玩家可能会在量子竞赛中处于领先地位。
其二是云量子计算，由于量子计算机对超高真空室、低温控制系统和其他奇异的量子仪器的强需求，使得绝大多数量子系统目前都牢牢地坐在实验室环境中，而不是被送到客户的数据中心。
因此，为了让用户访问这些设备，目前部分量子计算企业正推出商业量子计算云服务，使更广泛的客户能够访问该技术。日前，IBM和谷歌都把自己的量子处理器放在云上，而微软的Azure量子和AWS的Braket服务允许客户从第三方量子硬件提供商访问计算机。
04 谁将赢得量子计算比赛？
中美是最有机会从量子计算比赛中胜出的国家。
美国在未来五年内为量子信息科学释放了12亿美元，而欧盟则宣布了10亿欧元（合12亿美元）的量子旗舰。英国最近也达到了10亿英镑（合13.7亿美元）的量子技术预算里程碑，尽管中国投入具体金额未知，但从墨子号、九章来看与美国处于第一梯队。
而企业层面来看，虽然中国已有本源量子、阿里、百度等企业研发量子相关技术，但从专利与技术来看仍被IBM、谷歌拉开了一段距离，不过都还处在量子霸权阶段。布赫霍尔茨说："目前的挑战是，这就像在操场上看着一群蹒跚学步的孩子，试图找出他们中的哪一个将赢得诺贝尔奖。
总的来说，量子计算与量子叠加、纠缠等量子现象一样迷人，不过量子计算机这项技术还需等到2030年以后才能充分发挥其潜力，对于科技巨头来说扩军备战是当下要务，而对于普通大众只需当个吃瓜看客静待那天的到来。
本文来自微信公众号“科创实验室”（ID:scilabs），作者：渣渣辉，编辑：双双，36氪经授权发布。
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