本周，《IEEE Spectrum》刊登了一篇出色的文章，對量子計算（QC）的近期前景進行了深入探討。

文章的目的并不是要給量子計算的前景潑冷水，而是要說明量子計算的前景還很遙遠，并提醒讀者量子計算的用例可能很窄。

不僅如此，這篇報道還強調(diào)了哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊最近在糾錯和邏輯量子比特的使用方面取得的進展，以此說明事物變化的速度有多快。

這篇文章（Quantum Computing’s Hard Cold Reality Check）是一篇引人入勝的快讀作品，在此，光子盒團隊將全文編譯整理，呈現(xiàn)給各位讀者們。

量子計算機革命可能比許多人認為的更遙遠、更有限。這是新興的量子計算行業(yè)內(nèi)和周圍一小撮著名的懷疑論者發(fā)出的信息。

量子計算機被吹捧為解決金融建模、優(yōu)化物流和加速機器學(xué)習(xí)等一系列問題的方案。量子計算公司提出的一些雄心勃勃的時間表表明，這些機器可能會在短短幾年內(nèi)影響現(xiàn)實世界的問題。

但是，在許多人看來，對這項技術(shù)不切實際的期望遭到了越來越多的反對。

Yann LeCun

Meta公司人工智能研究負責人Yann LeCun最近上了頭條，他對量子計算機在不久的將來做出重大貢獻的前景潑了一盆冷水。

在一次慶祝Meta基礎(chǔ)人工智能研究團隊成立10周年的媒體活動上，他說，這項技術(shù)是“一個引人入勝的科學(xué)課題”，但他對“制造出真正有用的量子計算機的可能性”不太相信。

雖然LeCun并不是量子計算領(lǐng)域的專家，但該領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物也發(fā)出了謹慎的聲音。亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司（Amazon Web Services）量子硬件主管奧斯卡·佩因特（Oskar Painter）說，目前該行業(yè)存在“大量炒作”，“很難從完全不切實際的幻想中過濾出樂觀的一面”。

當今量子計算機面臨的一個根本挑戰(zhàn)是它們非常容易出錯。一些人認為，這些所謂的“含噪聲的中等規(guī)模量子計算”（NISQ）處理器仍然可以發(fā)揮有用的作用。但佩因特說，越來越多的人認識到這是不可能的，量子糾錯方案將是實現(xiàn)實用量子計算機的關(guān)鍵。

最主要的建議是將信息分散到許多物理量子比特上，以創(chuàng)建更強大的“邏輯量子比特”，但這可能需要為每個邏輯量子比特配備多達1000個物理量子比特。有些人甚至認為，量子糾錯從根本上說是不可能的，不過這并非主流觀點。佩因特說，無論如何，以所需的規(guī)模和速度實現(xiàn)這些方案仍然是一個遙遠的目標。

“鑒于實現(xiàn)能夠在數(shù)千量子比特上運行數(shù)十億門的容錯量子計算機仍然存在技術(shù)挑戰(zhàn)，因此很難給出一個時間表，但我估計至少還需要十年時間?！?/p>

奧斯卡·佩因特（Oskar Painter）

問題不僅僅在于時間尺度。

今年5月，微軟技術(shù)研究員馬蒂亞斯·特羅伊（Matthias Troyer）在《ACM通信》（Communications of the ACM）雜志上發(fā)表了一篇論文，指出量子計算機能夠提供有意義優(yōu)勢的應(yīng)用數(shù)量比某些人可能認為的要有限。

馬蒂亞斯·特羅伊（Matthias Troyer）

論文鏈接：

https://cacm.acm.org/magazines/2023/5/272276-disentangling-hype-from-practicality-on-realistically-achieving-quantum-advantage/fulltext

他說：“我們在過去10年中發(fā)現(xiàn)，人們提出的許多建議都行不通。然后我們找到了一些非常簡單的原因?！?/p>

量子計算的主要承諾是能夠以比經(jīng)典計算機快得多的速度解決問題，但具體快多少卻各不相同。特羅伊說，在兩種應(yīng)用中，量子算法似乎能提供指數(shù)級的速度：一種是對大數(shù)進行因式分解，這可以破解互聯(lián)網(wǎng)所依賴的公開密鑰加密；另一個是模擬量子系統(tǒng)，可應(yīng)用于化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域。

量子算法已被提出用于一系列其他問題，包括優(yōu)化、藥物設(shè)計和流體動力學(xué)。但是，量子算法所宣稱的提速并不總能實現(xiàn)：有時只是二次增益，即量子算法解決問題所需的時間是經(jīng)典算法所需的時間的平方根。

特羅伊說，量子計算機產(chǎn)生的大量計算開銷很快就會抵消這些收益。操作一個量子比特要比開關(guān)一個晶體管復(fù)雜得多，因此速度要慢上幾個數(shù)量級。這意味著，對于較小的問題，經(jīng)典計算機的運算速度總是更快，而量子計算機的領(lǐng)先優(yōu)勢取決于經(jīng)典算法復(fù)雜性的擴展速度。

特羅伊和他的同事將一臺Nvidia A100 GPU與一臺虛構(gòu)的未來容錯量子計算機進行了比較，后者擁有10,000個“邏輯量子比特”、門的速度比現(xiàn)在的設(shè)備快得多。

特羅伊說，他們發(fā)現(xiàn)，在處理大到足夠有用的問題時，具有四倍速度的量子算法必須運行幾個世紀，甚至幾千年，才能勝過經(jīng)典算法。

另一個重大障礙是數(shù)據(jù)帶寬。量子運行速度慢，從根本上限制了經(jīng)典數(shù)據(jù)進出量子計算機的速度。特羅伊解釋道，即使在未來樂觀的情況下，這種速度也可能比經(jīng)典計算機慢數(shù)千或數(shù)百萬倍。

這意味著在可預(yù)見的未來，機器學(xué)習(xí)或數(shù)據(jù)庫搜索等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用幾乎肯定無法實現(xiàn)。

特羅伊表示，結(jié)論是量子計算機只有在小數(shù)據(jù)問題上才能真正發(fā)揮指數(shù)級的速度?！笆Ｏ碌亩际敲利惖睦碚?#xff0c;但不會實用?！彼a充道。

性能比較。隨著量子速度的提升，量子計算機所需的運算量將逐漸少于經(jīng)典計算機。然而，由于操作復(fù)雜度高、門操作慢，量子計算機上的每個操作都比相應(yīng)的經(jīng)典操作慢。如附圖所示，對于小問題，經(jīng)典計算機的速度總是更快，而量子優(yōu)勢會在一個與問題相關(guān)的交叉尺度之后實現(xiàn)，在這個尺度上，量子加速帶來的增益會克服量子計算機的持續(xù)減速

特羅伊說，這篇論文在量子界并沒有產(chǎn)生多大影響，但微軟的許多客戶都很高興能清楚地了解量子計算的實際應(yīng)用。

“他們已經(jīng)看到一些公司縮小甚至關(guān)閉了量子計算團隊，其中包括金融和生命科學(xué)領(lǐng)域的公司?！?/p>

斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校計算機科學(xué)教授斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）說，對于一直密切關(guān)注量子計算研究的人來說，這些限制其實并不奇怪。

“有人聲稱量子計算將徹底改變機器學(xué)習(xí)、優(yōu)化和金融等所有這些行業(yè)，我認為對此持懷疑態(tài)度總是有道理的。如果人們現(xiàn)在才意識到這一點，那么，歡迎你們?！?/p>

雖然他也認為實際應(yīng)用還有很長的路要走，但該領(lǐng)域最近取得的進展確實讓他有理由感到樂觀。本月早些時候，來自量子計算初創(chuàng)公司QuEra和哈佛大學(xué)的研究人員證明，他們可以使用280量子比特處理器生成48個邏輯量子比特——遠遠超過之前的實驗所能做到的。

阿倫森說：“這無疑是幾年來最大的實驗進展?！?/p>

QuEra公司首席營銷官尤瓦爾·博格（Yuval Boger）極力強調(diào)，該實驗只是實驗室演示，但他認為，實驗結(jié)果讓一些人重新評估了容錯量子計算的時間尺度。但他同時表示，他們也注意到有一種趨勢，即一些公司正在悄悄地將資源從量子計算中轉(zhuǎn)移出來。

他說，這在一定程度上是由于自大型語言模型出現(xiàn)以來，人們對人工智能的興趣日益濃厚。但他也認為，業(yè)內(nèi)有些人夸大了這項技術(shù)的近期潛力，并認為這種炒作是一把雙刃劍。他說：“這有助于獲得投資，讓有才能的人興奮地進入這個領(lǐng)域。但另一方面，當你說量子技術(shù)將解決世界上所有的問題，但后來它并沒有解決，或者現(xiàn)在還沒有解決，這就會讓人有點失望?！?/p>

即使在量子計算機看起來最有前景的領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍也可能比最初希望的要窄。

量子為什么更快？破解加密或繪制分子結(jié)構(gòu)圖等問題可能需要對數(shù)以百萬計的可能性進行排序

近年來，科學(xué)軟件公司薛定諤（Schr?dinger）和一個多機構(gòu)團隊的研究人員發(fā)表的論文表明，只有數(shù)量有限的量子化學(xué)問題有可能從量子提速中受益。

與可能的短期量子計算機應(yīng)用相關(guān)的分子特征比較

論文鏈接：

https://arxiv.org/pdf/2009.12472.pdf

菲利普·哈巴赫（Philipp Harbach）

德國制藥巨頭默克公司（Merck KGaA，位于德國達姆施塔特）的集團數(shù)字創(chuàng)新全球負責人菲利普·哈巴赫（Philipp Harbach）說，同樣重要的是要記住，許多公司已經(jīng)擁有成熟且富有成效的量子化學(xué)工作流程，這些流程是在經(jīng)典硬件上運行的。

他說：“在公眾中，量子計算機被描繪得好像它能實現(xiàn)目前無法實現(xiàn)的東西，這是不準確的。主要是，它將加速現(xiàn)有的流程，而不是引入一個完全顛覆性的新應(yīng)用領(lǐng)域。因此，我們正在評估這里的差異?！?/p>

哈巴赫的研究小組研究量子計算與默克公司工作的相關(guān)性已經(jīng)有大約六年的時間。雖然NISQ設(shè)備有可能用于某些高度專業(yè)化的問題，但他們得出的結(jié)論是，在實現(xiàn)容錯之前，量子計算不會對工業(yè)產(chǎn)生重大影響。

哈巴赫說，即使到那時，這種影響的變革性究竟有多大，還要取決于具體的用例和公司正在開發(fā)的產(chǎn)品。

量子計算機在為經(jīng)典計算機在更大規(guī)模上難以解決的問題提供精確解決方案方面大放異彩。哈巴赫說，這對某些應(yīng)用可能非常有用，比如設(shè)計新型催化劑；但默克公司感興趣的大多數(shù)化學(xué)問題都涉及快速篩選大量候選分子。

“量子化學(xué)中的大多數(shù)問題都不是指數(shù)級的，有近似值就足夠了。它們都是表現(xiàn)良好的問題，你只需要讓它們隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大而變得更快?！?/p>

盡管如此，微軟的特羅伊仍有理由感到樂觀。即使量子計算機只能解決化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的有限問題，其影響仍可能改變游戲規(guī)則。他說：“我們談?wù)撌鲿r代、青銅時代、鐵器時代和硅時代，因此材料對人類的影響是巨大的。”

“提出一些懷疑的目的并不是要削弱人們對這一領(lǐng)域的興趣，而是要確保研究人員專注于量子計算最有前途、最有可能產(chǎn)生影響的應(yīng)用。”

參考鏈接：

[1]https://spectrum.ieee.org/quantum-computing-skeptics

[2]https://www.hpcwire.com/2023/12/22/taking-a-hard-eyed-look-at-quantums-near-term-prospects/

[3]https://www.bloomberg.com/news/articles/2023-12-24/what-is-quantum-computing-what-do-quantum-computers-do-and-can-i-get-one?fromMostRead=true

[4]https://thedebrief.org/quantum-2-0-discovering-the-next-generation-of-quantum-technology/