樂觀主義者眼中的量子計算四大核心挑戰

英特爾公司的Jim Clarke寫道，目前技術層面存在的挑戰極為困難。但考慮到這場量子計算馬拉松比賽才剛剛開場，沒人有勇氣早早棄賽離去。

英特爾公司的17超導量子比特測試晶元，已經被最新的49量子比特器件所取代。

與目前傳統的基於CMOS的系統相比，量子計算機確實有望實現指數級的性能增長。事實上，這種增長程度甚至超出了人類的理解範疇。因此，量子計算機將帶來現有系統所無法實現的種種優勢，這無疑令人興奮異常。著眼於這樣的前景，我們也看到不少量子計算的鼓吹者們先後湧現。他們認為在短短几年之內，這些機器即將帶來顛覆整個世界的能力。但與此同時，也有更多的量子計算懷疑論者認為這樣的情景永遠不可能發生。

在英特爾，我們採取的則是更加實用主義的量子計算觀點。我們的企業與高性能計算客戶已經開始要求我們提供相關功能。我們預計這方面需求將持續增長。然而，量子計算目前仍處於研究階段，而且確實有可能永遠無法成真。

不過，我們都看到了其中的巨大潛力，這樣的空間讓我們無法放棄追求的腳步。

最近，IEEE Spectrum發表了一篇文章，其中認為量子計算永遠無法實現。其主要論點在於，量子計算系統需要控制數量極大的量子態信息，這樣的控制規模遠遠超過可實現的水平。

作為一個長期關注新型半導體技術實際上市周期的量子計算樂觀主義者加現實主義者，我能夠理解這種擔憂情緒存在的理由，但我同樣相信，就目前而言我們還「從未」意識到量子計算的真實前景。

在我看來，量子計算全面實現的道路上橫亘著四大關鍵性挑戰。但如果能夠將其解決，那麼我們將可以在未來10到12年之內打造出一台商業可用型量子計算機，而這台設備也許真的能夠徹底改變你、我所熟知的生活方式。

1. 量子比特質量: 我們需要構建量子比特，從而以大規模方式生成可實際使用的指令或者門操作。但從量子計算行業的角度出發，我們還沒有攻克這一目標。即使是目前基於雲端的量子計算機，其過低的量子比特仍遠不足以滿足大規模系統的要求。另外，當兩個量子比特進行相互操作時，其仍然會產生錯誤，而且錯誤率遠遠高於實現有效計算所設定的上限。換句話說，在進行一定數量的指令或者操作之後，當我們繼續執行運算，那麼目前的量子比特就會產生錯誤的答案。我們得到的結果，也無法與噪音結果區分開來。

2. 糾錯: 現在，由於量子比特無法提供執行實際運算所需要的準確率，因此我們需要構建糾錯演算法，負責檢查並糾正隨機量子比特錯誤。這些演算法代表著複雜的指令集，其利用大量物理量子比特來有效延長系統中信息的生命周期。就目前而言，糾錯尚未在量子計算中得到大規模證明，但其已經成為我們研究工作中的優先領域，我認為其也是實現完整商業量子系統的先決條件之一。

3. 量子比特控制: 為了實現複雜的演算法，包括剛剛提到的糾錯方案，我們需要證明自身有能力控制多個量子位。這種控制必須保持極低延遲——大約10納秒。另外，其必須來自基於CMOS的自適應反饋控制電路。這與IEEE Spectrum之前發表的那篇質疑文章相似。但雖然難度令人生畏，但我完全有理由相信這一目標有可能得到實現。

4. 線路過於複雜: 最後，我們需要解決「扇出」的問題——或者說，如何擴大量子晶元內的量子比特數。目前，我們需要多條控制線或者多個激光器來創建單一量子比特。我們很難相信通過這樣簡陋的方式，我們最終能夠構建起一塊包含數百萬個量子比特的的晶元，其中包含數百萬條用於對接電路板或者延伸至低溫測量室之外的線路。事實上，半導體行業早在上世紀六十年代中期就已經意識到這個問題，並將其定義為核心經驗。換句話說，如果沒有精心設計的線路作為支撐，我們將永遠無法真正馳騁在量子高速公路之上。

在英特爾公司，我們正在努力解決這些挑戰。舉例來說，我們正在研究能夠在較高溫度之下運行的量子比特，旨在將其與基於CMOS的電子器件協同集成，以便實現量子比特控制。更高的溫度將使我們能夠將CMOS電子器件放入冰箱運行，同時又不會對量子態造成影響。本地CMOS電子設備可幫助我們控制系統延遲，並為量子比特布線或者互連機制提供更多自由發揮的空間。

這一切都需要不懈的工作。不要被那些看似光鮮的工具或者充滿炒作意味的宣傳給迷惑了雙眼。半導體行業的每一輪重大變革都要以十年作為時間周期單位：從1947年的晶體管，到1958年的集成電路，再到1970年的第一款微處理器，即英特爾4004。但與此同時，我們也要堅定信心，永遠不可放棄希望。

量子計算當中的潛力太大，賭注也太高；考慮到這場量子計算馬拉松比賽才剛剛開場，沒人有勇氣早早棄賽離去。

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