英国媒体视角下的量子计算：跳出实验室进入现实应用的世界

知识分子X物理世界，从英国媒体的角度带你走进科学问题。

导读

量子计算首次尝试走出实验室，进入实际应用领域。最新的商业炒作只是引发泡沫的炒作吗？这些气泡会在磁场真正落地之前破裂吗？投资者和一些研究人员是否应该对这场快速发展的技术革命充满热情？Physics World 特约撰稿人 Philip Ball 调查了量子信息技术商业化的成功和陷阱。

由菲利普鲍尔撰写

翻译｜葛运城

校对｜陈晓雪

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2015年全球“第一台量子计算机”上市时，外界的反应显然是喜忧参半。考虑到这台机器的标价为 1000 万美元，它的需求量并不高也就不足为奇了。一些人指责总部位于本拿比的加拿大制造商 D-Wave System 夸大了其机器的能力，甚至就其是否使用量子力学原理存在争议。

量子信息技术 (QIT) 的商业化起步并不顺利，但对于一项新技术来说并不罕见。毕竟，对于大多数人来说，第一辆车的价格也太贵了，而且一开始就被认为存在健康和安全隐患。即使因为在未铺砌的道路上行驶会产生巨大的灰尘，这辆车也引起了公众的强烈反对，以至于当时的司机有时会带着枪来保护自己。至少到目前为止，我们知道量子计算机——利用量子力学原理开发的信息处理新技术——是完全可能的。

伦敦帝国理工学院教务长、物理学家伊恩·沃尔姆斯利 (Ian Walmsley) 说：“建造这样一台机器在物理学上没有已知的障碍，但为了让这些东西发挥作用，我们现在正在转向非常困难和具有挑战性的工程工作。”

量子信息技术远没有像亨利福特或比尔盖茨这样的人（如当时的汽车或个人电脑）将这个行业转变为既可靠又负担得起的机器。“在这个阶段，（量子计算的商业化）专注于工程技术的持续迭代进步，而不是概念上的突破。” 加州伯克利量子计算公司 Rigetti Computing 的创始人兼首席执行官 (CEO) Chad Rigetti 说。但商业化进展很快。加州理工学院的量子理论家约翰·普雷斯基尔说：“工业活动的加速比我们大多数人（学术界）预期的更快、更突然。”

图1 量子计算优势方案。加拿大公司 D-Wave 与谷歌的科学家合作密码学算法 大数问题，展示了量子计算性能的好处。随着模拟规模和问题复杂性的增加，它可以比传统计算快 300 万倍。D-Wave 研究人员对 D-Wave 2000 量子比特系统进行了编程，以使用人工自旋来模拟二维受挫量子磁体（左）。资料来源：D-Wave 系统公司

私人和公共投资

对量子计算行业未来的预测各不相同，但几乎所有人都同意它将是巨大的。“我认为到 2025 年左右，量子计算市场将达到 10 亿美元，到 2030 年可能达到 50 亿到 100 亿美元。” Doug 负责运营量子信息跟踪网站 Quantum Computing Report。道格芬克说。后者占当今 HPC 市场的 10%-20%。根据霍尼韦尔的估计，未来 30 年，量子计算的价值可能达到 1 万亿美元。

基于上述估计，量子计算的商业化吸引了大量的公共和私人投资也就不足为奇了。美国政府正准备向国家量子倡议 (NQI) 项目投资约 12 亿美元。该项目于 2018 年底正式启动，为学术界和私营部门的量子信息科学研究和开发提供了一个总体框架。英国国家量子技术计划 (NQTP) 于 2013 年启动，承诺在 10 年内投入 10 亿英镑，目前正处于第二阶段。中国科学技术大学量子物理学家卢朝阳表示，虽然中国政府非常重视量子信息，但 此前有关政府投资规模约100亿美元的传闻从未得到官方证实。媒体谣言。

对于私营部门而言，IBM、谷歌、惠普、霍尼韦尔和微软等 IT 巨头已经开始在量子行业进行大量投资。最近的一份报告称，仅在 2021 年，就​​有超过 10 亿美元的私人投资用于量子计算研究。2019 年，谷歌的量子计算团队声称，他们的“Sycamore”——一个 53 量子比特的量子电路实验——已经实现了“量子霸权”（也称为“量子霸权”），可以在实际时间尺度上进行计算，超越任何经典装置。2021 年年中，霍尼韦尔宣布与英国的量子软件开发商 Cambridge Quantum Computing 建立合作伙伴关系。他们共同创立的量子计算公司声称提供“世界上性能最高的量子计算机和最全面的量子软件，

从云到冷原子

IBM 的量子计算部门开发的设备已经通过基于云的服务提供给客户（目前超过 200,000 台）。用户范围从学术研究人员到学校和企业，其中大部分是免费的。“你必须让人们熟悉这些东西，”位于纽约约克镇高地的 IBM 的 TJ Watson 研究中心的“首席量子专家”鲍勃·苏托 (Bob Sutor) 说。这些仪器目前主要安装在企业中，但 IBM 已经准备将它们放在其他地方（包括德国的弗劳恩霍夫研究所和东京大学），然后将它们独家授权给客户。然而，Sutor 认为基于云的服务仍将是常态。

Rigeti 也推出了自己的云资源。“人们正在使用它来为金融、化学、物流、信号和图像处理等领域的问题开发算法，”Chad Rigeti 解释说。位于马里兰大学的初创公司 IonQ 也是如此。迄今为止，该公司已为客户执行了约 20 亿次任务。该公司已经生产了具有 32 个量子比特的设备，这些量子比特是包含在芯片大小设备中的电磁陷阱中的纠缠离子。他们的设备在室温下工作，通过激光激发和检测离子进出的电子状态。该技术由马里兰大学的 Christopher Monroe 及其同事开发。在筹集到 8300 万美元的投资资金后，

与此同时，D-Wave 仍在生产一种在量子退火算法中使用超导量子比特的设备，其中量子比特被汇集起来，以类似于模拟退火的经典方法找到解决方案。该公司透露了一种名为 Pegasus 的新型量子芯片，该芯片将用于制造超过 5,000 个量子比特的设备，该芯片原定于 2020 年推出，但尚未实现。中国还有几家QIT初创公司，比如专注于量子加密和安全的合肥国盾量子（QuantumCTek）。它是从中国科技大学潘建伟开创性的基础研究实验室孵化出来的——但对这些公司的私人投资尚不清楚。

繁荣还是萧条？

即使量子信息技术产业如其倡导者所希望的那样发展，风险资本家在这个仍在不断变化的领域大力支持特定业务的行为也可能存在风险。“可能会有一些赢家，但也会有很多输家，”Doug Fink 说，他的公司目前追踪了 200 多家量子技术初创公司，他预计绝大多数人将在 10 年内消失，至少不再以现在的形式存在。“有些会失败，有些会被收购，有些会被合并，”他说。

直到 2018 年担任牛津大学 NQTP 量子网络信息技术中心负责人的 Ian Walmsley 表示，目前尚不清楚量子信息技术，尤其是量子计算最重要的技术平台是什么。. IBM 和谷歌正在押注由超导设备制造的量子比特，而霍尼韦尔则专注于离子阱技术。

微软正在采用一些人认为的高风险方法密码学算法 大数问题，即“拓扑量子计算”，其中量子位是准电子——称为马约拉纳零模式——受制于其基本的拓扑保护，免受可能破坏计算的错误的影响。为了研究这些难以捉摸的物体，微软与代尔夫特理工大学和尼尔斯玻尔研究所的实验室建立了研究合作伙伴关系。其他人则瞄准光学量子计算，包括位于牛津的初创公司 Orca Computing（由 Walmsley 共同创立）和位于加利福尼亚的 PsiQuantum。

“这些技术的方法差异很大，追求特定技术的公司可能会面临重大风险，”Bob Soutor 说，“所以我经常提醒投资者不要将投资集中在单一的量子公司上。”

图2 全球网​​络 IBM 的量子计算机——IBM Quantum System One——已安装在北美、德国和日本。截至 2019 年，公司在纽约建立了量子计算中心，让全球用户都可以使用其先进的基于云的量子计算系统。资料来源：IBM

实际应用与挑战

那么，谁是量子信息技术的第一批客户呢？金融、石油、能源、汽车和航空航天行业目前对此很感兴趣，埃克森、戴姆勒和摩根大通等公司都在使用 IBM 的高端量子计算机。IBM 的新设施之一位于俄亥俄州的克利夫兰诊所，用于病原体研究。霍尼韦尔表示，其新公司技术的应用将服务于网络安全、药物发现和交付、材料科学、金融业和所有主要工业市场以及自然语言处理和量子人工智能的优化。

IonQ 的首席执行官兼总裁 Peter Chapman 表示，在研究结果公布之前，他通常不知道用户在使用 lonQ 的云系统做什么。例如，大众汽车用它来解决装配线、交通路线和电动汽车充电站布局的优化问题。

事实上，量子计算非常适合优化问题，例如在许多其他可能的解决方案中找到“最佳”解决方案。例如，在管理供应链时，这是向具有不同要求、不同期限和不同地点的客户提供商品或服务的问题。通常，解决此类挑战的经典算法需要依次尝试每个选项：这个数字随着系统的大小呈指数增长。

此类问题在金融中也很常见，例如计算衍生品的最优定价或估计证券投资的风险。“现在金融行业越来越多地参与量子计算，”位于帕洛阿尔托的量子软件公司 QC Ware 业务发展总监 Yianni Gamvros 说。他的公司与高盛合作开发了一种用于蒙特卡罗模拟的量子算法，这是一种在当今“嘈杂”、容易出错的量子计算机上运行的常见优化程序。他们声称该算法将比经典算法快一百倍。IonQ 还与高盛就量子机器学习进行了合作。Jemfros 表示，量子算法可能在金融领域有潜在的应用，包括欺诈检测和交易建议，并且“

不过，IBM 的 Bob Sutor 强调，“直到现在，还没有量子计算机能够比经典计算机更好地处理财务问题，所以你必须小心不要卖给它们，因为它们可以做的比它们所能做的更多。” 他说，已经涉足量子计算的公司只是想在可能很快会发生的事情上抢占先机。

图 3 超导优势 左图：由高保真量子逻辑门组成的谷歌 53 量子位 Sycamore 芯片阵列。该公司目前正在使用这些工具进行基准测试。右图：安装在低温恒温器中的 Sycamore 处理器的艺术家渲染图。资料来源：谷歌人工智能量子；插图 ©2019：Forest Stearns DRAWEVERYWHERE/Google Quantum AI，常驻艺术家

加密技术分析

即使是当今最强大的量子计算机，例如 Google 的 Sycamore 芯片或 IBM 最近宣布的 127 量子比特 Eagle 电路，目前也难以模拟最简单的化学系统（例如小分子）。但希望它们最终能够以经典模拟无法比拟的精度来预测新材料和分子的特性。“我们预计制药和材料应用市场将在两到三年内起飞，”Jemfros 说。但一些企业的研发部门已经在为知识产权和专利奠定基础，并开发必要的技术。同时，使用机器学习的量子人工智能可能在生物医学成像方面有应用，

量子信息技术的另一个发展领域是密码学。基于大数分解的复杂性，量子计算机的出现提供了打破电信网络安全数据传输（例如在线信用卡订单）的标准加密方法的可能性，而量子算法可以显着加快这一过程。然而，量子计算也为这个问题提供了解决方案。由于量子信息在被测量之前可能是不确定的，因此以这种形式编码的数据可以“防篡改”。如果信息被编码在纠缠的量子比特中，例如当通过光纤网络发送或将光子的偏振状态广播到卫星时，窃听者就不可能在不被发现的情况下拦截和读取信息。

量子密码学已得到充分证明并可以远距离使用。例如，2007 年，瑞士公司 ID Quantique 以这种方式加密了日内瓦地区选举的选票数据，预示着该技术在全球范围内得到更广泛的采用。该公司成立于 2001 年，计划将该技术用于机密财务信息、政治信息以及医疗数据和防御网络攻击等领域。中国已经建成了从上海到北京的光纤“量子互联网”网络。2020年，中国科学技术大学潘建伟团队通过卫星在中国境内1000公里范围内广播量子加密数据。

总部位于都柏林的市场研究公司 Fact.MR 估计，未来十年，量子密码学市场将以 30% 的复合年增长率增长。“从传输机密的政府数据到提供安全的银行和金融解决方案，量子密码学被吹捧为加密和安全技术的未来，”该公司的分析师表示，并补充说增长限制来自沿途安装必要的基础设施和硬件，例如作为启用量子的卫星和信号增强器。

更多的量子比特，更少的噪音

Bob Sutor 认为，随着量子计算机变得越来越大，越来越好，如今量子计算机的局限性将逐渐消失。IBM 计划在 2022 年生产 433-qubit 芯片，随后在 2023 年生产 1,121-qubit Condor 芯片。Sutor 预测，到 2020 年代末，量子纠错将取得一些进展。然而，当今量子电路中最令人头疼的问题是：量子物理学的一个基本特性意味着不能像在经典设备中那样简单地通过维护每个量子比特的多个副本来纠正错误。一些量子纠错方案似乎需要数百甚至数千个物理量子位才能产生容错的“逻辑”量子位。

查普曼说，离子阱已被证明比上面描述的要好得多。他说，lonQ 最近的工作表明，量子纠错的物理量子比特与逻辑量子比特的比率仅为 13:1。他补充说，由于它们不需要笨重且昂贵的制冷，离子阱量子计算机也可以按比例缩小并且相对便宜。“最终，问题在于每个量子比特的成本，”他说。“我们的计划是大幅降低这些成本。我们认为量子计算机应该是不需要任何低温系统的机架式低成本设备。” 这将使它们适用于便携式场景，例如在飞机上，但也适用于无法承受将作业提交到云中的队列所带来的延迟或安全风险的公司。

图 4 冷原子阱。IonQ 的 Sarah Kreikemeier 调整光学元件。多亏了冷原子陷阱中的离子，他们成为今年第一家上市的量子公司。礼貌：艾琳斯科特/IonQ

寄予厚望和期望

但是，这种指数级的进步和兴趣能否在不提高期望值的情况下继续下去？“我认为根据政府资金的水平，以及硬件和软件初创企业的数量——可能超过 150 家，而且还在不断增加，泡沫几乎是不可避免的，”Jemfros 说。“我们现在正处于快速增长期。” ，但肯定会是并购整合阶段。”

然而，Ian Walmsley 希望量子信息技术实现和应用的多样性能够避免互联网泡沫。他说：“重要的是要确保事情不会超越自己、过热并因此破坏机会。” “我们不应该指望这些机器明天就可以立即供人们在家中使用。”

为了避免这种错误的期望，IBM“痛苦地披露了我们的机器是什么以及它们是如何工作的，”Bob Sutor 说。此外，他说，人们可以自己测试它们。尽管如此，“媒体中有很多炒作，因为他们中的大多数人不懂技术，”Doug Funk 补充道。“量子计算行业的个人也贡献了很多（炒作）。试图获得资金的企业家可能会夸大其潜力。” Jemfros 认为，量子计算软件还存在不少问题，“因为这些公司经常声称已经开发出非常强大的量子算法，但这些算法的有效性几乎从未经过测试或严格证明。”

卢朝阳同意上述观点，为了筹集风险投资，无论是在中国还是在全球范围内，业界都可能夸大量子计算的潜力。“业界的一个主要错误信息是，量子计算可以通过所谓的‘并行计算’来加速所有计算任务，”他说。“那不是真的。到目前为止，真正可以从量子计算中受益的实际问题仍然非常多。有限的，甚至更少的人享受指数加速——其他人的加速更有限。” 卢朝阳将一些量子计算初创公司的过度炒作比作曾经困扰人工智能的炒作，担心量子计算会因此重蹈覆辙

卢朝阳还担心，量子计算的潜力很容易被公众扭曲。比如，在他看来，谷歌在中科大超导系统和光子系统方面取得的量子计算优势，作为最先进的实验水平，在他看来，并不显示“量子有多酷” ” 他认为，在未来五年左右的时间里，这些技术将主要作为科学家和工程师的研究工具。

但 Doug Fink 并不太担心量子信息技术泡沫破裂的预测。“虽然有些人会对他们的投资没有成功感到失望，但我认为不会出现全面的投资崩溃，”他说。因为他相信未来几年将看到“宣布成功的消息，机构将量子计算应用于现实世界的商业或科学应用”，这样的成功“应该足以让私营和公共部门的投资流入”。”。

尽管存在炒作和幻灭的风险，但总的来说，卢朝阳对量子计算的未来持乐观态度，“我们才刚刚起步，（到目前为止）我们可能只发现了量子技术的冰山一角。在这舞台，即使最聪明的人也不知道它将如何改变世界。”

也许在接下来的几年里，我们会看到一些成功的消息和量子计算的实际应用。

▲本文为物理世界专栏第51篇。

关于作者

菲利普·鲍尔是来自英国的科普作家

电子邮件：p.ball@btinternet.com