科技行者量子计算可以解决很多复杂问题,但不应该被“神话”

量子计算可以解决很多复杂问题,但不应该被“神话”

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2021年11月3日 16:05:53 科技行者
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对于许多在量子计算领域工作的科学家来说,投资者和首席信息官对量子计算的浓厚兴趣是一把双刃。

来源:科技行者 2021年11月3日 16:05:53

关键字:量子计算

量子计算可以解决很多复杂问题,但不应该被“神话”图: Honeywell Quantum Solutions

量子计算机将彻底改变商业并开创一个前所未有的算力新时代,正因如此,量子计算技术在许多人眼里成了可以提供竞争优势的新必备品,也是前瞻性思维和创新的标志,因而得到越来越多高管的青睐。

但对许多在该领域工作的科学家来说,投资者和首席信息官对量子计算的浓厚兴趣是一把双刃剑。科学家警告说,虽然量子计算机最终需要走出实验室进入企业,但量子计算技术的商业化可能来得太快了,极有可能会令量子计算被恐怖地“过度炒作”,落得一个和虚拟现实、区块链及NFT一样的“下场”。

事实上,从科学的角度来看,量子计算是非常令人兴奋的——这也是为什么量子计算领域的研究持续了几十年的原因。

科学家们从上世纪90年代初开始就对于利用量子力学构建下一代计算机的想法感到振奋。原因是当时已经知道,在粒子处于最小的量子状态时,其行为与经典物理学定律所描述的方式非常不同。

例如,量子粒子可以同时以几个不同的状态存在,相当于可以处于一种双重现实状态。科学家们当时就设想,这一特性可以在计算方面得以利用,可以让量子粒子在不同状态下并行地携带不同的数据,而不是像经典计算机的比特那样仅限于1或0。量子比特的想法就此诞生。

理论上,计算机利用量子比特可以在短时间内解决非常复杂的问题,因为不同的计算可以在多个平行的“现实”中同时进行。

芝加哥大学计算机科学系助理教授Bill Fefferman表示:“我们基本上从上世纪90年代初就知道,量子计算可以解决经典计算机难以解决的问题。虽然这个结论还只停留在理论层面。但是,原则上如果有那么一天建造了一台完美的量子计算机,这台量子计算机就可以做这些事情。”

而当下,我们已经可以见到小规模量子计算机的早期原型——这些系统可以控制少量的量子比特,尽管通常量子比特不超过100个左右。例如,由该领域最突出的投资者之一IBM建造的最强大的量子机器目前拥有65个量子比特。

量子计算机用这么少的量子比特实际能做的事情非常有限,研究人员估计,要建立工程师在上世纪90年代梦想的完美量子系统需要多达100万个量子比特,甚至可能更多。但科学家们仍然可以用今天的小规模机器进行实验,用于推测一旦技术更加先进时事情会如何发展,目前,他们看到的结果似乎充满着希望。

例如,化学工程师预计,量子计算机将能够模拟大型复杂的分子,可以用于预测最能抵御疾病的组合,从而更快地创造出拯救生命的药物;银行巨头则指望量子系统可以用上基于更多快速变化因素的计算,进而决定买入和卖出哪些最佳股票,以获得最大的回报;汽车制造商则在测试量子计算技术如何彻底改变电池的设计、供应链的优化或密集的城市环境的交通管理等等。

此外,一些早期实验还在各领域掀起了热潮,包括石油和天然气、物流、网络安全、农业甚至天气预报等各个领域。一些专家称,一旦量子技术成熟,每个行业都将彻底改变。

Fefferman表示:“早期实验表明,量子计算技术有望解决一些非常有意思的问题,特别是一些无法用经典计算方法解决的问题。”

显然,投资者没用多久就已经开始关注量子计算技术。量子计算行业蓬勃发展,实力雄厚的科技巨头IBM和谷歌是主要推手,两家公司是第一批对量子计算技术感兴趣的大型公司。到现在,亚马逊和微软也加入进来,都推出了自己的量子项目,加上其余几十家小一些的公司,量子计算今年的投资总额达10.2亿美元。

如今,市场上已经有近200家量子计算初创公司,这些公司主要提供量子软件和硬件的服务,而一旦量子革命启动后,它们都有望推动巨大的业务改进。第一家致力于量子计算机的上市公司IonQ今年早些时候宣布了一项20亿美元的交易。量子路线图成倍增加,IBM的量子路线图为1121量子比特,而PsiQuantum的量子路线图则计划至2025年达到100万量子比特的目标。

但一些专家现在对这个行业的可行性表示怀疑。Sabine Hossenfelder是法兰克福高等研究院的理论物理研究员。对于Hossenfelder来说,量子计算行业经历的是泡沫渐显——可能会对研究造成极大的损害。

Hossenfelder告诉记者:“我的工作属于基础研究领域范畴,从我的角度来看,量子方面所有的早期应用都超级令人兴奋。但我读到的很多东西都是没道理地乐观。”他表示,“我看到存在的风险,所有这些投资者,他们喜欢的想法就是,我们很快就能造出一台大量子计算机,我们可以用它来赚钱,因为我们会解决所有这些问题——但五年左右后,他们会意识到这些承诺没有实现。然后他们就会退出,结果是即使在研究方面都很难继续下去,因为泡沫急剧萎缩。”

对Hossenfelder来说,问题的根源主要在于时间。目前最先进的技术也就不到100量子比特,要突破100万量子比特的大关是一个巨大的技术挑战。不仅仅是成功创造和控制更多的量子比特就“万事大吉”了:工程师们还必须考虑如何减少所需的空间,减到可以容下运行系统所需的所有设备。目前的量子计算机加上机件和工具可以塞满几间房子。因此只是用目前的技术将设备扩大几个数量级的做法根本就不现实。

Hossenfelder认为,在未来几年里不会找到解决这些问题的所有技术方案,她认为解决这个挑战的难度可以和一个世纪前用木材建造现代个人电脑的难度相比。

而且,即使他们可以做到,即使有一个团队秘密研究出一种新的方法,可以在未来5到10年内解决所有现有的瓶颈问题,即便这样也远远不能肯定量子计算机可以在所有方面击败经典计算机。恰恰相反:量子系统有望在特定的用例(特别是模拟运算)中产生巨大变化,但量子计算机不太可能很快取代我们目前的笔记本电脑。

Fefferman 表示:“我们必须小心,要以更准确的方式谈论量子计算机。量子计算机并不是万能的,它们不会加快解决所有问题的速度。即使是30年或100年后,完美的量子计算机届时已经存在了,某些问题也还是不适合用量子计算机解决。”

有种种迹象表明,经典计算机将继续存在,而且仍将被用来完成许多任务,即便不是大多数任务。相比之下,量子计算机则会更像是一种特殊用途的设备,可以在一系列非常具体的问题上得到极端速度提升。科学家们今天正在做的就是试图找到这些问题到底是什么。

那么,什么是量子计算行业的炒作,什么不是呢?Fefferman 表示:“在高层次上回答这个问题,二者之间仅一线之差。”许多研究团队定下了可行的目标,也有许多企业在开发可能改变游戏规则的产品。但是也有很多公司是在搭量子计算系统的顺风车,在兜售名为“量子万金油”的东西。

Fefferman并非是唯一一个警告不要对量子计算抱不切实际期望的人。例如计算机科学家Scott Aaronson,也是量子泡沫渐显的突出批评者,他在他的博客中表示,现在的呼声来自内部,即是说,量子科学家自己也在担心量子领域被过早刹停。

炒作从根本上说对量子计算并不是件坏事:如果量子计算最终要离开学术界实现上世纪90年代诞生的梦想,这个行业就需要得到商业资本的青睐。但过快地创造出不可能达到的期望则是危险的,事实上,不可能达到的期望总是危险的。对于在该领域工作的科学家来说,这只会让“量子寒冬”的前景变得更加急迫。

总而言之,量子计算的承诺当然是真实的,但要实现它则需要耐心和强烈的责任感。