「量子霸權」實現了，100億美元的量子計算機離你有多遠？

新智元報道

來源：theguardian

編輯：大明

【新智元導讀】各大科技巨頭對「量子霸權」的爭奪愈演愈烈，熱度簡直堪比第一台電子計算機誕生時的追捧。實際上，由於量子系統穩定性、配套和成本問題，實現「量子霸權」離解決實際應用還很遙遠，量子計算還無法很快改變世界。

第一台電子計算機的出現曾讓媒體興奮不已。

那是1946年的情人節， 《紐約時報》首先報道了此事。該報在頭版講述了關於這台「神奇的機器」的故事，並將其成為「二戰的最高機密之一」。它能夠以前所未有的速度處理數字信號，這台名為「電子數字積分和計算機」（ENIAC）中包含18000個真空管，有望「徹底改變現代工程」。一些人認為，ENIAC將開創一個新的工業設計時代。

世界上第一台電子計算機誕生於1946年初，包含18000多個電子管

70多年過去了，我們又迎來了一個更加誇張的口號：「量子霸權」。有幾家公司，尤其是谷歌、IBM和總部位於加州的Rigetti，正在競相建造一台機器，實現了所謂的「量子霸權」。這一壯舉將標誌著量子計算機首次超越最優秀的傳統計算機的時刻的到來。作為這些企業中的領軍者，谷歌預計可以在今年內成功實現這一目標。

量子計算機可以比傳統計算機更快地解決某些問題。在藥物開發、材料設計、天氣預報、股票交易等事務上，量子計算機都可以提供幫助，它們可以同時執行大量的計算任務。自20世紀80年代以來，物理學家已經發現了這一點，但直到最近才開始製作原型機。

與其主要競爭對手一樣，谷歌也正在構建所謂「通用門」量子計算機。它與傳統計算機有相似之處，不同之處在於，標準計算機處理的0和1的數字位，量子計算機則使用「量子位」，它可以取0到1之間的任何值。

當量子位通過量子糾纏相互連接時，量子計算機有能力完成傳統計算機上需要花數十億年才能完成的計算任務。今天最大的量子計算機有大約20個超導量子位。預計將實現「量子霸權」的下一代晶元將至少將這個數字提升至50個。

系統脆弱、價格奇高：「量子霸權」就是說說而已

「量子霸權」將是科學上的一項了不起的成就。但它並不會很快改變世界。事實是，可以在今天的量子計算機上運行的演算法其實並沒有多大用處。比如，其中一種主要演算法會使量子計算機產生隨機數。這對於實現量子霸權非常有用，但對於其他方面呢？可能用處不大。

波士頓諮詢集團最近的量子計算報告已經催生100多位專家和150篇同行評審的論文。該報告認為，第一批量子計算應用將在三到五年內開發完成，量子計算機採用材料模擬，可以減少昂貴、耗時的實驗室測試。報告稱，未來幾十年，量子計算機帶來的生產力增長將達到4500億美元（3720億英鎊）。

好吧，不要忘了我們還有很長的路要走。要計算一些有用的東西 - 比如說，一種新物質的化學特性，需要幾百萬的量子比特。但要從50個量子比特擴展到數百萬量子比特並不是件容易的事。事實上，這個挑戰是很艱巨的。

一個重要問題是，量子系統異常脆弱。為了保持量子行為的進行，量子比特晶元需要封裝在帶真空泵的密封盒中，以去除雜散空氣分子，或者將溫度冷卻到僅僅稍高於絕對零度的極低溫。要實現更多的量子比特通信意味著需要更多的冰箱、更多的連接和更高昂的費用。

更糟糕的是，這些設備對哪怕最微弱的干擾也非常敏感，即使是腳步聲也會讓它們出現錯誤。即使將系統安置在遙遠的保護機房中，並通過雲端訪問，也不清楚百萬量子比特計算機是否能夠長時間保持穩定運行狀態。

困難還不止這些。量子計算機不是獨立的設備，需要傳統計算機和其他設備來支持，實現編程、操作和監控。除此之外，還有機器輸出的計算負載也是個大問題。一台運行在幾千兆赫茲的1000萬量子比特的量子計算機每秒會發送超過10TB的數據。這堪稱信息海嘯，甚至超過了CERN的大型強子對撞機產生的信息量，這些信息必須由傳統計算機處理。

今天，一個單量子比特量子計算機成本就高達10000美元，這還沒有考慮研發成本。以這個價格，一台真正有用的通用量子計算機僅硬體成本至少就要100億美元。對於真正的商業價值遠未得到證實的機器而言，早就突破了天價的標準。

為了讓量子計算機獲得商業上的可行性，單位量子比特的成本必須大幅壓縮才行。但具體要怎麼實現，沒人知道。學者推測，相互疊加設備可能是一條路，但美國國家科學院的一份報告顯示，這條路看上去並不樂觀，他說：「目前尚不清楚，這些技術是否或何時可以擴展到所需的水平」能夠解決商業上的實際問題。

計算機領域內的人傾向摩爾定律的作用，及每年可以在晶元上安裝的晶體管數量增加一倍。但摩爾定律並不是自然法則，我認為沒有理由對此保持樂觀。給傳統計算機領域帶來顛覆性變革的是半導體、晶體管和最終的微晶元的出現：換句話說，今天的量子計算機更像是處於最早期ENIAC時代，還在使用電子管和繼電器，離晶體管的出現還早呢。

研究人員需要繼續前進。他們必須認真、嚴格地審視正在構建的量子計算機，並努力研究如何讓它們變得真正實用。如果我們想讓量子計算機幫助解決人類的問題，還需要大幅度的提升和改進才行。「量子霸權」將是計算史上的一個里程碑，但這應該是我們努力的起點，而不是終點。

https://www.theguardian.com/technology/2019/aug/02/quantum-supremacy-computers

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