量子计算研究：这是一场马拉松而非冲刺赛

科技行者
来源 | VentureBeat
作者 | Christopher Monroe, IonQ
编译 | 科技行者

如果大家关注技术头条新闻，一定会敏锐地意识地量子计算代表着接下来的重大趋势。
今年1月，《今日美国》公布的IBM量子计算机成为本届CES（于拉斯维加斯召开的年度技术成果盛会）之上最令人印象深刻的公告之一。此外，Gartner公司也将量子计算列为2019年顶级技术趋势之一，一同入选的还有区块链以及虚拟现实等其它技术。
作为一名研究量子计算机技术的物理学家，我在这方面投入了超过25年的时光，并创办了一家公司以研究能够存储并处理单个原子或粒子（例如光子）信息的机器。我相信，量子计算机确实代表着一种极具突破性的技术，它将为我们带来足以攻克医学、交通、计算机安全以及我们尚未预见到的各个领域中最困难问题的唯一一种已知方法。但我们必须明确一点，即搞清楚量子计算科学接下来会发生什么，以及不会发生什么。
首先需要强调，能够给整个社会带来巨大影响的大规模量子计算机至少还需要几年时间才会出现。与此同时，随着技术的迅速发展，我们也将看到众多记录被一项项打破。这些渐进式的进步对于政府而言非常重要，各国政府也在鼓励这项研究，并推动各个有望在量子计算机支持之下实现整体强化的行业积极接纳这一新兴科技。然而，过分的炒作与宣传有可能使得这波本应大有可为的浪潮最终幻灭，或者说至少会因此而减缓进度。
关于量子计算机的头号事实，就是这类方案并不是必然比我们的传统计算机更快或者更好。我们已经习以为常的笔记本电脑或者智能手机永远不会被所谓量子计算版本所替代。
另外，量子计算机也几乎一定不会被用于运行社交网络、渲染皮克斯动画电影或者追踪航空公司的购票订单。相反，它们会通过特殊的方式被用于解决不同于以往的问题。
量子计算机的概念是由诺贝尔奖得主、物理学家理查德-费曼于1982年提出的。量子力学是一种成熟的理论，可以预测原子或者电子等微小孤立粒子的行为，而费曼先生担心传统计算机永远无法解决这一领域中的问题。今天，我们仍在利用传统计算机模拟材料及化学过程中的量子模型，但是在面对极小分子或者大块材料中所有可能的电子排列时，这条模拟之路显然已经走不通。
费曼的想法非常简单：构建一台计算机，利用它存储关于单一粒子的信息（我们现在将其命名为量子比特），同时确保其计算机制遵循长久以来困扰着传统计算机的量子力学规则。那么二者究竟有何不同？普通计算机可以准确地将世界中的各个元素数字化为清晰定义的数字；而量子计算机则会探索所有可能性，并不断更新多个场景的发生概率。通过添加更多的量子比特，量子计算机能够实现指数级增长的场景模拟能力。量子计算机的编程机制使其能够将这么多可能性纳入考量，并随后缩小为少数几个，最终在用户测量输出结果时获得关于这些场景的全部信息。
量子计算机在考虑这无数多种可能性时，拥有着一大不同于以往的显著特性——即过程中不可测量或者观察。出于这个原因，在进行最终“投票”之前，量子处理过程就像是参议员：在给出结论之前，他们不可透露自己的真实立场。我们的世界充满了不确定性，因此量子计算机能够有效帮助我们找到最理想的几种选择。因此，银行不会使用量子计算机来追踪支票账户，因为在查看余额时，用户需要的是一个确定且值得信赖的答案。
但银行可能会利用量子计算机来估算一年之后您账户中的余额数字，期间参考的因素包括您获得加薪或者被公司解雇的可能性、您的孩子是否会鲁莽驾驶并引发车祸、股市是否可能崩溃，以及这些因素之间更深层次的相互作用。需要说明的是，目前还没有人在量子计算机上编写过上述用于财务预测的程序。
之所以会这样，原因之一在于截至当下还没有任何量子计算机能够处理这一级别的计算任务。但在经过大量努力之后，情况发生了变化。过去几年以来，不少企业、学术机构以及政府部门已经构建起能够隔离并操纵粒子、或者其它类型量子比特的机器，它们已经有能力处理较为基础的计算程序。对量子比特的隔离与控制要求极高的精度以及相当极端的条件。一部分量子计算机需要在接近绝对零度的环境下冷却其固态电路，另一些量子计算机则使用电场将原子悬浮在比太空更纯净的真空当中，并以精度达到人类头发直径万分之一的尺度对原子进行操纵。
这些原子量子比特能够扩展为规模更大的系统，由于它们都是完全相同的孤立原子元素，因此能够随意复制；另外，各个原子之间的隔离度又极高，所以在被迫定性之前它们永远不会显示出自己的最终量子比特状态。在未来三到五年时间里，这些机器将成功执行某些无法利用传统计算机实现的计算任务。
然而，量子计算机距离真正获得解决实际问题的运算能力与精度，可能还有五到十年的发展道路才会完成。一路走来，我担心很多期待着量子计算成为改天换地大事件的朋友可能会感到失望并失去兴趣。我们不能坐视这种情况的发生。
政府应当继续支持基础性研究，而美国国会去年也通过了《国家量子倡议法案》。工业行业需要着手与当前这一代量子计算机开展合作，以便尽早开发技术与软件方案，确保自身能够随着技术进步而不断获得更为强大的竞争优势。
即使如此，量子计算机仍然不太可能出现在我们的办公桌或者口袋当中。但是，大家可能会因此获得疗效更好的药物、种类更为丰富的材料以及运作效率更高的组织形式。所有这一切，都将证明对量子计算技术的探索为何物有所值。
作者Christopher Monroe是马里兰大学物理学Bice Zorn教授与杰出学术负责人，亦担任量子计算初创企业IonQ公司联合创始人兼CEO职务。
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