谷歌的低溫恒溫器在10毫開(kāi)爾文溫度下運(yùn)行量子處理器

● 谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家馬蘇特·穆赫辛尼（Masoud Mohseni）、哈特穆特·內(nèi)文（Hartmut Neven）等人暢談量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)投資機(jī)遇及未來(lái)5年的開(kāi)發(fā)前景。

從量子糾纏到大分子化學(xué)反應(yīng)，基于二進(jìn)制邏輯的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不能有效地描述世界許多特征。正如物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在30年前就已經(jīng)意識(shí)到的那樣，解決方案是使用可同時(shí)多態(tài)混合的量子處理器。然而，要開(kāi)發(fā)出有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，還要克服許多技術(shù)屏障，包括噪聲控制以及編碼信息量子態(tài)的運(yùn)行保真態(tài)的提升。

量子計(jì)算機(jī)絕大部分研究的最終目的都是構(gòu)建出一種量子機(jī)器，一種噪聲和錯(cuò)誤都在可容許范圍內(nèi)、原則上可用于解決任何問(wèn)題的數(shù)字量子計(jì)算機(jī)。理論上，這種由許多量子比特（或量子位）組成的大型處理器的計(jì)算速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快，計(jì)算能力至少領(lǐng)先10年。糾錯(cuò)需要冗余，量子位的數(shù)量需要快速提升。舉例來(lái)說(shuō)，一天時(shí)間完成2000比特?cái)?shù)的因式分解對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是個(gè)難以完成的任務(wù)，但如果使用量子計(jì)算，即使每1萬(wàn)次操作只有1次出錯(cuò)，也需要1億個(gè)量子比特，但目前我們還沒(méi)有組裝數(shù)十個(gè)量子位量子處理器的能力。

保守的觀點(diǎn)認(rèn)為，量子計(jì)算投資只能遠(yuǎn)期受益。但我們認(rèn)為，隨著未來(lái)5年里小型量子設(shè)備的出現(xiàn)，獲得短期回報(bào)的可能性還是有的，雖然這些機(jī)器的糾錯(cuò)能力可能還不夠完善。

理論上雖然不能保證，但也并不排除成功的可能性。將量子技術(shù)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)有可能支撐未來(lái)強(qiáng)大的應(yīng)用前景。最近機(jī)器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成功就是一個(gè)很好的例子。20世紀(jì)90年代還沒(méi)有能夠訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的計(jì)算能力，這一領(lǐng)域內(nèi)流行的是有很強(qiáng)理論基礎(chǔ)的“convex”方法。今天這些方法并不適合于深度學(xué)習(xí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)算法幾乎沒(méi)有什么改變，但在“摩爾定律”的作用下，新性能的開(kāi)發(fā)取得了一個(gè)又一個(gè)令人震撼的里程碑式的成果。

同樣，今天雖然不能證明不完美量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度可以快到足以解決一些實(shí)際問(wèn)題，但可能會(huì)有一些變化。模擬和數(shù)字量子硬件的規(guī)模、準(zhǔn)確度和可控性都在穩(wěn)步提高。我們預(yù)計(jì)，在未來(lái)幾年內(nèi)，得到較好控制的量子系統(tǒng)可用以執(zhí)行某些任務(wù)，其速度將遠(yuǎn)超基于CMOS（互補(bǔ)性的金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

我們?cè)诖酥攸c(diǎn)介紹3種可進(jìn)行早期商業(yè)化推廣的量子計(jì)算設(shè)備：量子模擬、量子輔助優(yōu)化和量子抽樣。從人工智能、財(cái)政金融到醫(yī)療衛(wèi)生保健等領(lǐng)域，更快的計(jì)算速度將具有商業(yè)上的優(yōu)勢(shì)。

量子技術(shù)的商業(yè)化，不僅需要跨學(xué)科合作，還需要科學(xué)家與企業(yè)家緊密配合。設(shè)備的可靠性和可控性要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣需要硬件水平的提升，還需要開(kāi)發(fā)出適合目前硬件條件限制的、可解決實(shí)際問(wèn)題的啟發(fā)式量子算法。一些研究人員正在研究“谷歌搜索”的量子計(jì)算，而我們的計(jì)劃是在云服務(wù)方面推廣量子處理器，以促進(jìn)量子算法的開(kāi)發(fā)，并在各個(gè)行業(yè)推廣應(yīng)用，真正造福社會(huì)。

三大商業(yè)化應(yīng)用前景

如果一些可行技術(shù)的研究取得進(jìn)展，我們相信正在崛起的量子處理器將大有可能勝任以下各類(lèi)計(jì)算任務(wù)，并在未來(lái)幾年時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化價(jià)值。

量子模擬。模擬化學(xué)反應(yīng)和材料、建立計(jì)算機(jī)模型是最值得期待的量子計(jì)算實(shí)際應(yīng)用之一。不需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間，也不需要數(shù)億美元的投入，研究人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的候選方案進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出少量新材料并確定其性能。無(wú)論是飛機(jī)制造需要的更強(qiáng)的聚合物、用于汽車(chē)的更有效的催化轉(zhuǎn)換器、更高效的太陽(yáng)能電池材料，還是療效更好的藥物或透氣性更好的織物，更快的開(kāi)發(fā)速度都將帶來(lái)巨大的價(jià)值。

計(jì)算機(jī)材料的發(fā)現(xiàn)目前已是一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)。從定性描述到定量預(yù)測(cè)，量子計(jì)算機(jī)都將帶來(lái)根本性的變化。化學(xué)反應(yīng)率對(duì)分子能量非常敏感，其跨度范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的處理能力。開(kāi)發(fā)出穩(wěn)健的量子算法，就有可能在不需要大量量子糾錯(cuò)的前提下，完成一些重要材料的模擬任務(wù)。已開(kāi)發(fā)的一些算法有似乎不受量子位控制錯(cuò)誤影響的“可變量子本征求解法”（Variational Quantum Eigensolver，VQE）。

各種商業(yè)模型可提供量子模擬器，實(shí)驗(yàn)室可提供付費(fèi)訪問(wèn)，計(jì)算機(jī)公司可提供咨詢(xún)服務(wù)，一些企業(yè)可能會(huì)通過(guò)股權(quán)交換換取量子輔助突破導(dǎo)致的創(chuàng)新材料開(kāi)發(fā)成果。

量子輔助優(yōu)化。物理學(xué)、社會(huì)科學(xué)以及各個(gè)行業(yè)中所有涉及量化計(jì)算的核心與困難的計(jì)算任務(wù)是優(yōu)化。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決這些問(wèn)題是因?yàn)閷⑺袛?shù)學(xué)解決方案測(cè)試一遍的計(jì)算速度太慢，因此好的解決方案很可能就隱藏在包括速度在內(nèi)的一些技術(shù)屏障之后，統(tǒng)計(jì)計(jì)算中一般使用傳統(tǒng)算法（如熱能分布）來(lái)“越過(guò)”這些障礙。我們認(rèn)為，這種類(lèi)型的傳統(tǒng)抽樣可以量子現(xiàn)象的偶發(fā)性來(lái)達(dá)到強(qiáng)化效果，比如穿過(guò)障礙傳遞量子信息的隧道行為，發(fā)現(xiàn)罕見(jiàn)而高質(zhì)量的解決方案。

例如，使用優(yōu)化算法實(shí)施廣告的在線推薦和報(bào)價(jià)策略，以最有效的方式應(yīng)對(duì)消費(fèi)者的需求和市場(chǎng)變化。建立在量子計(jì)算和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組合基礎(chǔ)上的解決方案更強(qiáng)大，可在許多行業(yè)中用于提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量。物流公司可以?xún)?yōu)化調(diào)度、規(guī)劃和產(chǎn)品分配。量子強(qiáng)化的算法還可用以提高病人醫(yī)療診斷的速度和準(zhǔn)確性。如谷歌、微軟、亞馬遜和Facebook等大型信息技術(shù)公司的搜索質(zhì)量或產(chǎn)品質(zhì)量也可以得到增強(qiáng)。

這些6毫米見(jiàn)方的小芯片控制著6個(gè)量子位

量子抽樣。通過(guò)概率分布的抽樣方法廣泛用于統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)。理論上，與傳統(tǒng)電路相比，理想的量子電路可在同樣的時(shí)間內(nèi)在更大的概率分布范圍內(nèi)進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)。我們的計(jì)算表明，即使是相對(duì)較小電路的高保真量子門(mén)，也可以7×7量子位、層次深度25層的電路進(jìn)行傳統(tǒng)電路所難以企及的概率分布抽樣。

事實(shí)上，以淺量子電路進(jìn)行概率分布抽樣子可能是“量子至上（或量子霸權(quán)）”最早的例子。“量子至上”這一術(shù)語(yǔ)是理論物理學(xué)家約翰·裴士基（John Preskill）提出的，用以描述量子處理器在短時(shí)間內(nèi)完成某個(gè)明確定義數(shù)學(xué)任務(wù)的能力，即使是最大的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)（如中國(guó)的神威太湖一號(hào)）也無(wú)法在任何合理的時(shí)間框架內(nèi)完成這類(lèi)任務(wù)。我們預(yù)測(cè)，在未來(lái)幾年內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)量子霸權(quán)的實(shí)驗(yàn)。

量子抽樣的應(yīng)用前景包括機(jī)器學(xué)習(xí)中的推理和模式識(shí)別，為促進(jìn)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的實(shí)驗(yàn)研究，我們計(jì)劃通過(guò)云計(jì)算界面，為研究者開(kāi)放和提供使用量子計(jì)算機(jī)硬件的機(jī)會(huì)。

需要克服的技術(shù)屏障

量子計(jì)算的商業(yè)化必須克服一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。如：量子硬件需要擴(kuò)大規(guī)模，以與傳統(tǒng)硬件每10年呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的速度相競(jìng)爭(zhēng)；就像傳統(tǒng)電路晶體管需要增益一樣，量子比特也需要量子相干性以形成量子糾纏；如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化和相干性的結(jié)合也是量子系統(tǒng)工程的一個(gè)大挑戰(zhàn)。這從根本上來(lái)說(shuō)是很困難的，因?yàn)榱孔有畔⒉荒鼙粡?fù)制，子系統(tǒng)互相糾纏，導(dǎo)致總體設(shè)計(jì)需要從全局來(lái)進(jìn)行權(quán)衡。

谷歌用射頻和微波電子產(chǎn)品制造可擴(kuò)展控制硬件

我們認(rèn)為，超導(dǎo)量子比特是量子計(jì)算機(jī)最有前途的硬件平臺(tái)，以標(biāo)準(zhǔn)集成電路和超導(dǎo)技術(shù)為基礎(chǔ)的硬件相對(duì)容易構(gòu)建和控制。很多設(shè)計(jì)可能適合于數(shù)字和模擬量子處理器的不同要求，10量子比特的高保真系統(tǒng)的演示已表明了這種工程概念的可行性。

新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)有助于解決量子計(jì)算的擴(kuò)展性問(wèn)題，如超導(dǎo)撞擊禁錮——一個(gè)用于信息處理和控制電路的雙層架構(gòu)。約1 000個(gè)量子位的量子退火設(shè)備原型已投入商業(yè)化應(yīng)用。這些機(jī)器屬于模擬量子處理器，可為某些優(yōu)化任務(wù)提供高質(zhì)量的解決方案。

今天的量子設(shè)備在實(shí)用性上還未達(dá)到盡善盡美的程度，需要進(jìn)行多項(xiàng)改進(jìn)。例如，淺量子電路需要更高的量子門(mén)保真度和穩(wěn)定性，以限制消相干性。量子退火硬件需要一個(gè)在連接性、控制精度和性相干時(shí)間等方面都有所改善的新的方案。

商業(yè)機(jī)遇前景預(yù)測(cè)

一項(xiàng)新技術(shù)可以通過(guò)3種方式得到提升：增加利潤(rùn)、降低成本、降低對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的投資。在數(shù)字時(shí)代，引入一項(xiàng)新技術(shù)可產(chǎn)生指數(shù)級(jí)的影響，即使產(chǎn)品質(zhì)量得到1%的提升，都將導(dǎo)致用戶(hù)數(shù)量和利潤(rùn)的顯著增長(zhǎng)，這就是在競(jìng)爭(zhēng)、透明度和有效市場(chǎng)上起重要作用的“明星效應(yīng)”。

早期量子計(jì)算設(shè)備即使可以獲得計(jì)算速度的少量增加，最早的采納者仍然可收獲不菲的回報(bào)。作為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的一些公司如果想要獲得同等質(zhì)量服務(wù)和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力，就將面臨更高的進(jìn)入壁壘，這是因?yàn)樵缙谀軌蚓帉?xiě)量子算法的專(zhuān)門(mén)人才比較稀缺，企業(yè)需要時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)制定新的算法。最早接受這種變化的是那些需要處理大量信息和數(shù)字化程度最高的市場(chǎng)，包括金融服務(wù)、醫(yī)療保健、物流和數(shù)據(jù)分析等。

制定某個(gè)業(yè)務(wù)案例時(shí)，公司需要進(jìn)行供需調(diào)查。需求可以做如下評(píng)估：首先，確定“最小可行產(chǎn)品”，早期只有擁有核心功能的量子創(chuàng)新才有機(jī)會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)。評(píng)估創(chuàng)新解決方案可包括某個(gè)現(xiàn)有的需求（產(chǎn)品與市場(chǎng)的契合度）、產(chǎn)品商業(yè)化所需要的時(shí)間（上市速度）和市場(chǎng)反應(yīng)。

例如，通常在媒體上被描繪成數(shù)字量子計(jì)算機(jī)“殺手級(jí)應(yīng)用”的加密破解，在市場(chǎng)契合度上得分不高，有一天會(huì)被不受量子攻擊影響的密碼系統(tǒng)所取代，大多數(shù)民營(yíng)企業(yè)對(duì)破解加密系統(tǒng)也并不感興趣。相比之下，需要即時(shí)數(shù)據(jù)反饋的投資組合優(yōu)化和風(fēng)險(xiǎn)管理，可通過(guò)量子強(qiáng)化模式受益，更加高效的量子化學(xué)計(jì)算將在藥物開(kāi)發(fā)、催化轉(zhuǎn)換器、太陽(yáng)能電池和肥料生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)е赂拘缘淖兏铩?/p>

量子輔助優(yōu)化和推斷技術(shù)可增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能系統(tǒng)的能力，從而提高可再生能源發(fā)電、遙感和預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行能力。這些技術(shù)還可用于在線商品定價(jià)和服務(wù)以及倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化和無(wú)人駕駛汽車(chē)動(dòng)態(tài)管理。

在供應(yīng)方面，一些公司將通過(guò)對(duì)各自技術(shù)和團(tuán)隊(duì)的質(zhì)量評(píng)估來(lái)為自己定位，在有開(kāi)創(chuàng)精神的量子學(xué)者和企業(yè)家之間開(kāi)展合作，但因?qū)W術(shù)界的激勵(lì)機(jī)制與企業(yè)和產(chǎn)業(yè)界的并不相一致，這也將會(huì)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系可以幫助企業(yè)脫穎而出。為吸引風(fēng)險(xiǎn)投資家，勝出的量子產(chǎn)品應(yīng)該要有一種不需要很多資產(chǎn)、低制造成本的商業(yè)模式，以幫助客戶(hù)顯著增加收益。公司可通過(guò)云計(jì)算并利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心以?xún)煞N方式受益：解決簡(jiǎn)單問(wèn)題用傳統(tǒng)解決方案，解決重要問(wèn)題時(shí)則調(diào)用量子處理器。

量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)⒑芸爝M(jìn)入一個(gè)歷史性的里程碑——量子霸權(quán)。目前還不清楚的是，使用不久后將問(wèn)世的處理器，一些涉及各種應(yīng)用程序的算法是否能夠獲得運(yùn)行速度的大幅增加。但當(dāng)量子硬件變得足夠強(qiáng)大時(shí)，就可以進(jìn)行測(cè)試并開(kāi)發(fā)出新類(lèi)型的算法。

在接下來(lái)的10年里，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該共同努力發(fā)展量子模擬和量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法。我們的計(jì)劃是，通過(guò)云服務(wù)為缺乏必要資金、專(zhuān)業(yè)知識(shí)或基礎(chǔ)設(shè)施的人提供使用谷歌量子處理器的便利，以支持這方面的研究。

方陵生/編譯 世界科學(xué)（World-Science）