量子计算机新突破制造商新发现有望取得重大进展

　　多年来，量子计算一直是学术界的专利。然而，新的进展正在把这项潜在的革命性技术推向实际应用。
　　在本月举行的Q2B会议上，量子计算机制造商谷歌、IBM、霍尼韦尔、IonQ和Xanadu详细介绍了他们预计到2024年将推动他们的机器进一步走向商业实用的具体步骤。这些成就包括提高量子计算机的规模、性能和可靠性。根据Hyperion Research的预测，到2024年，私营部门在量子计算产品和服务上的支出可能会增加两倍以上，从2019年的2.5亿美元增至8.3亿美元。
　　＂我们正处于量子计算的早期工业时代，＂麻省理工学院(MIT)教授赛斯·劳埃德(Seth Lloyd)说。他说，这一＂巨大的进步＂可以与早期使用蒸汽机为工厂、轮船和火车提供动力相媲美。
　　一个值得关注的突破是纠错方面的进展，这将使量子计算机能够执行持续的计算，而不是短暂的工作。这种改进来自于克服量子位元的基本限制，量子位元是在量子计算机中存储和处理数据的基本元素。量子位元很容易受到外力的干扰，但是纠错是为了克服单个量子位元的挑剔。这需要更大的机器和更多的量子位元，但量子计算机制造商也看到了这方面的进展。
　　如果量子计算机制造商取得成功，纠错技术可以帮助业界实现其在一些重要问题上大幅提高传统处理器性能的承诺。量子计算机不会取代同样面临制造困难和成本上升的传统机器，但它们可以超越目前的极限，设计新的太阳能电池板，降低飞机燃料使用，加快人工智能速度，改善金融投资，并降低运输成本。
　　量子计算机超越了1和0
　　传统计算机以位(1或0)的形式存储信息，并使用称为晶体管的微型电子数据处理元件进行计算。相比之下，量子计算机的量子位可以同时存储1和0的组合，这要归功于一种称为叠加的量子物理现象。量子位元可以通过另一种量子物理现象——纠缠而相互连接。
　　量子计算涉及一系列对量子位元状态的操作。这些操作称为量子门，一系列的门操作称为电路。随着门操作的增加，电路变得＂更深＂，能够进行更复杂的量子计算。
　　增加量子位元的数量也会成倍地增加计算问题的规模。增加一个量子位，计算的规模就可能翻倍。加两个四倍，加三个八倍，以此类推。
　　这些进步让计算机科学家们兴奋不已，因为尽管今天的机器只有几十个量子位，但以后的机器将有数千个，然后是数百万个。
　　挑剔的量子位会破坏计算
　　量子计算机制造商都在用不同的方法构建更稳定的量子位，为量子位本身以及它们之间的连接打下更坚实的基础。任何一种干扰都会使计算脱轨。
　　传统硅芯片制造商已经确定了一种方法，而量子计算机制造商正在为他们的量子位探索各种各样的可能性。
　　谷歌和IBM使用超导电路，冷却到接近绝对零度，比外太空还要冷。霍尼韦尔的离子阱设计是用带电的镱原子制造量子位。英特尔的量子位是独立的电子，其特征是一种被称为自旋的量子力学特性。Xanadu使用光子，其量子处理器在室温下工作。
　　纠错让量子计算走上正轨
　　有一个坚实的基础固然好，但纠错仍然是克服单个量子位元缺点的必要方法。纠错的主要思想是把多个量子位联结成一个状态持续时间更长的＂逻辑＂量子位。运营谷歌量子计算服务的埃里克·卢塞罗（Eric Lucero）称之为＂永远完美的量子位元＂。纠错是所谓的容错量子计算机的基础。
　　一个逻辑量子位可能需要多达1000个物理量子位，而真正的量子计算（例如用于破解当今加密的Shor算法），则需要数千个逻辑量子位。IonQ的首席科学家和联合创始人克里斯•门罗（Chris Monroe）在Q2B上说，IonQ希望它的方法只需要13个物理量子位来实现一个逻辑量子位。
　　这种方法正从理论走向实践。
　　＂我们今天已经掌握了这项技术，＂卢塞罗说。他预计谷歌将在2023年拥有第一个逻辑量子位，再下个十年结束后将拥有1000个逻辑量子位。
　　更多更好的量子位元
　　纠错是增加量子位数的重要动力。
　　IBM的目标是超越目前的65量子位系统＂Hummingbird＂，明年将推出127量子位的＂Eagle＂，2022年推出433量子位的＂Osprey＂。IBM Q Network主管安东尼·安农齐亚塔(Anthony Annunziata)表示，到2023年，1121量子位的Condor将成为让量子计算算法变得更有用的＂一个重要转折点＂。
　　Xanadu目前拥有24个量子位，预计今年将推出40个量子位的芯片，该公司的硬件主管扎卡里•弗农(Zachary Vernon)说。他预测，未来几年，量子位的数量应该每6到12个月翻一番。
　　有用的量子计算机
　　尽管研究人员小心翼翼地避免出现突破性进展，但量子计算机可能在纠错到来之前就有用了。IBM的量子客户目前包括摩根大通、埃克森美孚、三菱化学、戴姆勒、台达和波音。
　　其中一些客户对从分子开始设计材料感兴趣——著名物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在《量子计算机开创性思考》一书中描述了最初的想法之一。希望在像更高效的太阳能电池板、存储更多能量的电池或不需要那么多能量的化肥生产等方面实现突破。
　　欧洲航空航天巨头空中客车公司负责飞行物理的高级副总裁马克·费舍尔（Marc Fischer）在Q2B上表示，该公司有一个广泛的项目。他说，他们正在研究量子计算，以改善飞机的空气动力学，在上升过程中节约飞机燃料的使用，更有效地装载飞机，并用经典计算机难以计算的因素来设计机翼。
　　霍尼韦尔希望将量子计算应用于自己的业务，如化学设计、仓库自动化和航空航天。霍尼韦尔量子解决方案总裁托尼•尤特利（Tony Uttley）表示:＂霍尼韦尔希望成为我们自己最大和最好的客户。
　　最乐观的声音之一是埃里克•施密特(Eric Schmidt)，他在担任谷歌首席执行官兼执行董事长期间批准了该公司的长期量子计算项目。这项工作产生了去年的＂量子霸权＂（quantum supremacy）实验，该实验表明，量子计算机至少可以在一项狭窄的(虽然不是实际的)计算任务上超越经典计算机。
　　施密特说:＂我们知道，这种事情将在6到8年后发生。＂＂当它发生的时候，将是不可思议的。＂