量子計算可以解決很多複雜問題,但不應該被「神話


原標題:量子計算可以解決很多複雜問題,但不應該被「神話

量子計算可以解決很多複雜問題,但不應該被「神話

圖: Honeywell Quantum Solutions

量子計算機將徹底改變商業並開創一個前所未有的算力新時代,正因如此,量子計算技術在許多人眼裡成了可以提供競爭優勢的新必備品,也是前瞻性思維和創新的標誌,因而得到越來越多高管的青睞。

但對許多在該領域工作的科學家來說,投資者和首席信息官對量子計算的濃厚興趣是一把雙刃劍。科學家警告說,雖然量子計算機最終需要走出實驗室進入企業,但量子計算技術的商業化可能來得太快了,極有可能會令量子計算被恐怖地「過度炒作」,落得一個和虛擬現實、區塊鏈及NFT一樣的「下場」。

事實上,從科學的角度來看,量子計算是非常令人興奮的——這也是為什麼量子計算領域的研究持續了幾十年的原因。

科學家們從上世紀90年代初開始就對於利用量子力學構建下一代計算機的想法感到振奮。原因是當時已經知道,在粒子處於最小的量子狀態時,其行為與經典物理學定律所描述的方式非常不同。

例如,量子粒子可以同時以幾個不同的狀態存在,相當於可以處於一種雙重現實狀態。科學家們當時就設想,這一特性可以在計算方面得以利用,可以讓量子粒子在不同狀態下並行地攜帶不同的數據,而不是像經典計算機的比特那樣僅限於1或0。量子比特的想法就此誕生。

理論上,計算機利用量子比特可以在短時間內解決非常複雜的問題,因為不同的計算可以在多個平行的「現實」中同時進行。

芝加哥大學計算機科學系助理教授Bill Fefferman表示:「我們基本上從上世紀90年代初就知道,量子計算可以解決經典計算機難以解決的問題。雖然這個結論還只停留在理論層面。但是,原則上如果有那麼一天建造了一台完美的量子計算機,這台量子計算機就可以做這些事情。」

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而當下,我們已經可以見到小規模量子計算機的早期原型——這些系統可以控制少量的量子比特,儘管通常量子比特不超過100個左右。例如,由該領域最突出的投資者之一IBM建造的最強大的量子機器目前擁有65個量子比特。

量子計算機用這麼少的量子比特實際能做的事情非常有限,研究人員估計,要建立工程師在上世紀90年代夢想的完美量子系統需要多達100萬個量子比特,甚至可能更多。但科學家們仍然可以用今天的小規模機器進行實驗,用於推測一旦技術更加先進時事情會如何發展,目前,他們看到的結果似乎充滿著希望。

例如,化學工程師預計,量子計算機將能夠模擬大型複雜的分子,可以用於預測最能抵禦疾病的組合,從而更快地創造出拯救生命的藥物;銀行巨頭則指望量子系統可以用上基於更多快速變化因素的計算,進而決定買入和賣出哪些最佳股票,以獲得最大的回報;汽車製造商則在測試量子計算技術如何徹底改變電池的設計、供應鏈的優化或密集的城市環境的交通管理等等。

此外,一些早期實驗還在各領域掀起了熱潮,包括石油和天然氣、物流、網絡安全、農業甚至天氣預報等各個領域。一些專家稱,一旦量子技術成熟,每個行業都將徹底改變。

Fefferman表示:「早期實驗表明,量子計算技術有望解決一些非常有意思的問題,特別是一些無法用經典計算方法解決的問題。」

顯然,投資者沒用多久就已經開始關注量子計算技術。量子計算行業蓬勃發展,實力雄厚的科技巨頭IBM和谷歌是主要推手,兩家公司是第一批對量子計算技術感興趣的大型公司。到現在,亞馬遜和微軟也加入進來,都推出了自己的量子項目,加上其餘幾十家小一些的公司,量子計算今年的投資總額達10.2億美元。

如今,市場上已經有近200家量子計算初創公司,這些公司主要提供量子軟體和硬體的服務,而一旦量子革命啟動後,它們都有望推動巨大的業務改進。第一家致力於量子計算機的上市公司IonQ今年早些時候宣布了一項20億美元的交易。量子路線圖成倍增加,IBM的量子路線圖為1121量子比特,而PsiQuantum的量子路線圖則計劃至2025年達到100萬量子比特的目標。

但一些專家現在對這個行業的可行性表示懷疑。Sabine Hossenfelder是法蘭克福高等研究院的理論物理研究員。對於Hossenfelder來說,量子計算行業經歷的是泡沫漸顯——可能會對研究造成極大的損害。

Hossenfelder告訴記者:「我的工作屬於基礎研究領域範疇,從我的角度來看,量子方面所有的早期應用都超級令人興奮。但我讀到的很多東西都是沒道理地樂觀。」他表示,「我看到存在的風險,所有這些投資者,他們喜歡的想法就是,我們很快就能造出一台大量子計算機,我們可以用它來賺錢,因為我們會解決所有這些問題——但五年左右後,他們會意識到這些承諾沒有實現。然後他們就會退出,結果是即使在研究方面都很難繼續下去,因為泡沫急劇萎縮。」

對Hossenfelder來說,問題的根源主要在於時間。目前最先進的技術也就不到100量子比特,要突破100萬量子比特的大關是一個巨大的技術挑戰。不僅僅是成功創造和控制更多的量子比特就「萬事大吉」了:工程師們還必須考慮如何減少所需的空間,減到可以容下運行系統所需的所有設備。目前的量子計算機加上機件和工具可以塞滿幾間房子。因此只是用目前的技術將設備擴大幾個數量級的做法根本就不現實。

Hossenfelder認為,在未來幾年裡不會找到解決這些問題的所有技術方案,她認為解決這個挑戰的難度可以和一個世紀前用木材建造現代個人電腦的難度相比。

而且,即使他們可以做到,即使有一個團隊秘密研究出一種新的方法,可以在未來5到10年內解決所有現有的瓶頸問題,即便這樣也遠遠不能肯定量子計算機可以在所有方面擊敗經典計算機。恰恰相反:量子系統有望在特定的用例(特別是模擬運算)中產生巨大變化,但量子計算機不太可能很快取代我們目前的筆記本電腦。

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Fefferman 表示:「我們必須小心,要以更準確的方式談論量子計算機。量子計算機並不是萬能的,它們不會加快解決所有問題的速度。即使是30年或100年後,完美的量子計算機屆時已經存在了,某些問題也還是不適合用量子計算機解決。」

有種種跡象表明,經典計算機將繼續存在,而且仍將被用來完成許多任務,即便不是大多數任務。相比之下,量子計算機則會更像是一種特殊用途的設備,可以在一系列非常具體的問題上得到極端速度提升。科學家們今天正在做的就是試圖找到這些問題到底是什麼。

那麼,什麼是量子計算行業的炒作,什麼不是呢?Fefferman 表示:「在高層次上回答這個問題,二者之間僅一線之差。」許多研究團隊定下了可行的目標,也有許多企業在開發可能改變遊戲規則的產品。但是也有很多公司是在搭量子計算系統的順風車,在兜售名為「量子萬金油」的東西。

Fefferman並非是唯一一個警告不要對量子計算抱不切實際期望的人。例如計算機科學家Scott Aaronson,也是量子泡沫漸顯的突出批評者,他在他的博客中表示,現在的呼聲來自內部,即是說,量子科學家自己也在擔心量子領域被過早剎停。

炒作從根本上說對量子計算並不是件壞事:如果量子計算最終要離開學術界實現上世紀90年代誕生的夢想,這個行業就需要得到商業資本的青睞。但過快地創造出不可能達到的期望則是危險的,事實上,不可能達到的期望總是危險的。對於在該領域工作的科學家來說,這只會讓「量子寒冬」的前景變得更加急迫。

總而言之,量子計算的承諾當然是真實的,但要實現它則需要耐心和強烈的責任感。

文章來源: https://twgreatdaily.com/3ebf5f12178877d257d4f85e7c37e13f.html

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