超越量子霸权:寻找有用的量子计算机
偶尔，阿兰·阿斯普鲁-古兹克会有明星般的待遇——一些年龄只有他一半的年轻人会在街上拦住他。“他们对我说：‘嘿，我们知道你是谁。’”他笑着说，“然后他们会告诉我他们也有量子初创公司，并希望我与他们谈谈。”他丝毫不介意。“我通常没时间交谈，但总是乐意给他们一些建议。”阿斯普鲁-古兹克表示，这种亲切的态度在量子计算社区并不少见。他是多伦多大学的计算机科学家，也是马萨诸塞州剑桥市Zapata Computing的联合创始人。尽管人们对一场计算革命的前景充满期待，私人投资也大量涌入量子科技领域，但目前仍处于早期阶段，没有人能确定是否真的可以构建出实用的量子计算机。今天，量子计算机最多拥有几十个量子比特（qubit），而且常常受到破坏计算的噪声干扰。研究人员距离通用量子计算机还有几十年时间，还缺少成千上万的量子比特。这些通用量子计算机有望完成一些久被预言的计算任务，比如对大数进行因数分解。据报道，谷歌的一个研究团队已经展示了一台量子计算机，其性能可以超越传统机器，但这种“量子霸权”预计将非常有限。对于通用性应用，加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔表示，“30年并不是不现实的时间框架。”一些研究人员提出了这样的可能性：如果量子计算机无法尽快实现有用的突破，就可能会迎来“量子寒冬”——热情消退，资金枯竭，而研究人员尚未接近制造出实用的量子计算机。“量子寒冬确实令人担忧，”普雷斯基尔说。但他仍保持乐观，因为缓慢的进展迫使研究人员调整研究重点，看看他们目前制造的设备是否能在不久的将来做一些有意义的事情。从过去几年发表的一系列论文来看，这种情况确实有可能发生。普雷斯基尔将这个时代称为“小规模、易出错或‘中间噪声量子’（NISQ）”的机器时代。到目前为止，这个时代证明比任何人预料的都更有意思。尽管结果还非常初步，但算法设计人员正在为NISQ设备寻找应用，这些应用可能在化学、机器学习、材料科学和密码学等领域产生立竿见影的影响，例如对化学催化剂构建的洞察。这些创新也在推动传统计算的意外进展。所有这些活动都在与构建更大、更稳健的量子系统的努力并行。阿斯普鲁-古兹克建议人们要准备迎接意外。“我们是长期在这里的，”他说，“但明天可能会有一些惊喜。” 量子计算也许看起来是21世纪的概念，但它的诞生时间其实很早——与IBM发布第一台个人计算机是同年。1981年，物理学家理查德·费曼在一次演讲中指出，模拟具有量子力学基础的现实现象（如化学反应或半导体特性）的最佳方式，是使用遵循量子力学规则的计算机。这样的计算机将利用纠缠现象——这是量子系统特有的现象。通过纠缠，一个粒子的特性会受到与之共享亲密量子连接的其他粒子的影响。这些联系使得化学和许多材料科学分支的复杂性远远超出传统计算机的模拟能力。为量子计算机设计的算法旨在利用这些关联，从而完成传统计算机不可能完成的计算任务。然而，正是这一特性，使得量子计算机既充满希望，又难以操作。环境中的噪声，如热噪声或其他干扰，会破坏这些量子状态，导致计算失败。 目前，研究人员正在探索如何克服这些挑战。例如，IBM的研究团队开发了一种“错误缓解”技术，使得在噪声量子处理器上进行的计算能够接近理论上的准确结果。此外，一些研究人员发现，某些机器学习任务可以容忍噪声和近似计算，这为量子计算提供了新的应用方向。尽管如此，研究人员也面临许多不确定性。例如，Zapata公司的因数分解算法可能永远不会比传统计算机更快；对实际硬件的实验尚未开展，也没有数学方法可以证明其优越性。 尽管如此，研究人员表示，这是一个友好的领域，它既推动了传统计算，也推动了量子计算的发展。例如，2018年，计算机科学家埃文·唐开发了一种经典算法，其速度甚至超过了之前被认为更优的量子算法。唐表示，她的研究受到了广泛欢迎。 目前，研究人员必须面对这样一个事实：今天，我们仍然没有确凿的证据证明量子计算机真的能带来有用的成果。NISQ可能只是研究人员必须穿越的一片广阔的、或许平淡无奇的领域，直到他们能够构建出真正超越传统计算机的量子计算机。 尽管如此，普雷斯基尔认为，研究人员仍需保持开放的心态。“尽管我们有很多关于这些短期设备能做什么的想法，”他说，“但没有人真正知道它们会擅长什么。” 对于德容来说，不确定性是可以接受的。他将短期量子处理器视为一个实验平台，一个受控的实验环境。NISQ中的噪声甚至可以被视为一种优势，因为现实世界中的系统（如用于太阳能电池的潜在分子）也受到环境的影响。“探索量子系统如何响应其环境，对于推动新的科学发现至关重要，”他说。 至于阿斯普鲁-古兹克，他则对不久的将来充满信心。他年轻时在墨西哥曾破解电话系统以获取免费国际通话。他说，他现在看到的年轻量子研究人员中，也有人具备同样的冒险精神——特别是现在他们可以有效地“拨号”并尝试在谷歌和IBM等公司提供的小型量子计算机和模拟器上开展实验。他相信，这种便捷的访问将是解决实际问题的关键。“你必须对量子计算机进行破解，”阿斯普鲁-古兹克说，“正式的理论有其作用，但想象力、直觉和冒险精神同样重要。也许，问题不在于我们有多少个量子比特，而在于我们有多少个黑客。”
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