量子计算，它是什么以及我们为什么要关心它？

虽然量子计算听起来像是科幻小说中的概念，但许多专家认为它只是技术进步的下一个必然步骤。在人工智能 (AI) 占据所有头条新闻的同时，各国也在悄悄投入数十亿美元用于量子研究，每个国家都希望成为第一个量子超级大国。

我们采访了《婴儿量子计算》一书的作者 William Hurley (Whurley)，他是该领域的一位远见卓识者，他的使命是将量子硬件连接到可以使用它们的组织。

问：Whurley，你在职业生涯中做过很多不同的事情，从早年在 Apple 和 IBM 等科技巨头公司担任工程师，到自己成为一名企业家。那么，为什么是量子？

答：人们总是在寻找下一个“范式转变”，但它往往被夸大和夸大了。但就量子计算而言，事实并非如此。事实上，将其称为范式转变有点轻描淡写。这是非常前沿的东西，它超级、超级酷，它将在很多很多方面改变世界。

问：首先，我想听听您定义什么是量子计算会很有帮助。

答：在基本层面上，想想抛硬币——在平面上抛硬币是正面还是反面。如果是正面，就是一个；如果是尾巴，则为零。这就是您可以想到的古典建筑。量子计算就像抛向空中的硬币。它处于一、零或两者的恒定状态。我们不知道它是什么，直到我们把它停下来。关于量子计算，你听到的第一件事就是经典比特已经死了，量子计算将取代经典计算，它将永远改变世界。我认为它可能有一天会做那些事情；但就目前而言，将量子计算的实现更多地视为 GPU、云处理器或协处理器。

问：那么，量子计算机是什么样子的？我正在设想一个机械臂抛硬币！

答：哈。好吧，不完全是。目前有三种类型的量子计算机：

量子退火炉。退火器是元启发式的。他们使用磁场以绝热方式（缓慢地）将一种量子态演变成另一种代表您要解决的问题的量子态。

电路门模型。电路门模型的工作方式有点像您在经典计算机系统中通过对量子位应用一系列操作所习惯的工作方式。

拓扑模型。拓扑量子计算是一些真正的黑魔法。

尽管有几种不同的方法来创建量子位，但它们看起来都非常相似——一个大圆柱体，或者在 D-Wave 的情况下，一个立方体。如果你看一下量子计算机的内部，它们看起来就像一个大房间，里面有一盏巨大的枝形吊灯。吊灯的最底部是真正的量子计算机。该结构的其余部分用于将粒子冷却至 5mK 至 15mK 之间的任何位置。

问：量子计算是从什么时候开始流行的？

A：量子计算实际上已经存在了很长时间。这个概念本身是在 1982 年创造的，但它可以追溯到更早的时候。在 1927 年的索尔维会议上，世界上一些最伟大的物理学家——薛定谔、爱因斯坦和海森堡——讨论了新制定的量子理论。从那里，出现了薛定谔的猫、纠缠以及爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论等一系列其他概念。这些概念为 Feynman、Benioff 和 Manin 在 80 年代提出的概念奠定了基础。我们在 90 年代开始看到量子算法，在 00 年代看到第一个硬件。但在 2014 年，你真的会看到投资、初创企业、专利和材料科学优势方面的突然上升。现在，我们正处于它真正成为现实的边缘。

问：为什么是现在？为什么突然的紧迫感和努力？

答：经典计算的基础是 1 和 0。如果我们阻止一个信号，它就是一个零。如果我们让一个信号通过，它就是一个信号。计算机是巨大的算盘，但同时也变得非常小。您拥有的智能手机由 10 纳米芯片驱动，其中包含 30 亿个晶体管。这些设备变得如此之小，以至于一些科学家担心，一旦我们达到 7nm、5nm 和 3nm，量子力学就会生效，我们将无法阻挡信号。量子隧穿——你试图阻止信号，但无论如何它都会通过——迟早会发生。当它发生时，经典计算的改进将急剧放缓。

问：这就是量子霸权的意思吗？

答：很多人使用量子霸权这个词。我理解这个词；但是，我不是它的忠实粉丝，因为它给业内人士的印象是量子计算机将以某种方式取代经典计算机。事实并非如此。我们需要经典计算机来控制所有进出数据、低温学，以及系统中的所有内容。我们从经典计算机中获取它，我们将控制信息发送进来，然后再发送出去。我不认为量子计算机是你运行所有东西的东西，因为在不久的将来要做到这一点，你需要数百万、数百万、数百万的量子比特。迄今为止，我们只实现了大约 72 个量子比特。所以，把量子计算机想象成一个协处理器。

问：对于今天的软件和硬件工程师来说，将量子计算纳入方程式是否是一个轻松的过渡？

答：嗯，在经典计算机中，你有电路、模块、门和晶体管。在过去，你必须是一名工程师才能对计算机进行编程，因为你必须了解栅极之间的电压。然后，过了一段时间，你只需要了解大门。现在，我们有甚至不知道有门的软件工程师。所以这些事情通常是一个进展。现在，你必须是一名物理学家才能为量子计算机编程。目标是将量子计算带到一个你只需要知道门然后有一些抽象层的地方，这样你就可以将它用于你正在做的任何事情。

问：这可能引出了最重要的问题，您实际上可以用量子计算机做什么？

答：量子计算机帮助我们解决真正大的问题。以经典的旅行推销员为例。您有一台每秒执行 10 到 9 次操作的计算机，您希望使用往返的最短路径将您的销售人员派往 14 个城市。如果要检查所有旅行组合，经典计算机需要大约 1000 秒才能找到解决方案。如果你必须派你的销售人员去 22 个城市，经典计算机需要大约 1600 年才能找到解决方案。而如果你想让你的销售人员去 28 个城市，这比经典计算机在已知宇宙中计算出答案所花费的时间还要长。量子计算机可以在合理的时间内解决该问题。

另一个很好的例子是量子计算如何彻底改变化学和科学研究。以咖啡因分子为例。咖啡因分子中有 95 个电子，您可以在很大程度上对其进行建模。当您想到在经典架构上为咖啡因模块建模所需的内存计算大小时，这在天文数字上是巨大的，而且是不可能的。但是，您可以在具有 160 个量子位的量子计算机上进行相同的建模。我们已经达到了 72 个量子位。有传言说到今年年底我们将达到 150-200；虽然被授予，但我们仍然存在保真度问题。不管怎样，我们可以用量子计算机来解决这些非常大、非常困难的数学建模问题。它将改进搜索算法、人工智能、机器学习和交通，并帮助找到治疗疾病和全球变暖的方法。今天，大多数气候研究都不准确，因为您使用的是经典系统来模拟量子力学世界。由于大自然是量子力学的，因此量子计算机可能会建立更好的气候模型，这些模型可能比我们今天所做的近似猜测更准确并提供更好的数据。

我们现在想解决所有这些问题，但我们没有计算能力。量子计算将使我们获得那种计算能力。我认为我们将在未来 3-5 年内拥有 1000 个量子比特。1000到10000的路程比较短。一旦达到 10,000，就可以开始寻找数百万个量子位。我认为我们会在 5 年内拥有数百万个量子比特吗？不，但是随着技术的进步，我们可以使用该技术来解决一些问题和材料科学建模，从而进一步加速它。

问：如果一个国家在世界其他国家之前破解量子，它是否会给一个国家带来潜在的不公平优势？

答：很多国家都从国家安全的角度谈论量子计算，但现在每个量子研究人员都在与来自世界各地的其他人合作。所以如果你想要进步，你就不能把它锁起来。我认为这应该是一种开源技术。我认为它应该是一种基于世界的技术——像影响我们生活的许多事情一样民主化。全世界有很多大学都在研究这个主题。量子计算，而不是人工智能，是我们这一代人的太空竞赛。因为有更多的资金投入、加密威胁的风险、治愈疾病的潜力和做事的能力，所以这是一个非常重要的领域。

问：如何参与量子计算？

A：我会鼓励每个人都参与进来。大公司正在为开发人员启动程序。还有许多开源程序。不要害怕。如果您对量子计算和未来感兴趣，请受到启发。

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