量子计算离现实更近吗？

量子计算是一种与具有量子特性的计算机一起工作的想法，例如能够同时保持多个状态，这种想法已经讨论了很长时间，但是现在似乎已经接近现实，并且取得了一些重大进展。 在上周的技术会议上，我有幸与一些推动这一主题发展的公司（包括D-Wave和IBM）的领导人主持了有关该主题的小组讨论。

Berberian&Company的顾问Bryan Jacobs提供了有关量子计算的建议，他解释说，在我们今天使用的所有电子产品中，信息是通过电子的电荷存储的，该电子的电荷是开或关。 换句话说。 但是，如果您以量子状态（例如单个电子或光子）对信息进行编码，则可以将其映射为零和一个，就像常规的经典位一样，也可以将其映射为叠加，在叠加时可以同时为零和一个。 他解释说，有趣的想法是，如果您有一台具有大量这些量子位（通常称为量子位）的量子计算机，则可以同时以所有可能的输入的叠加形式启动它，然后以量子相干方式处理信息，从某种意义上讲，您可以同时在所有可能的输入上计算相同的函数。 这就是所谓的量子并行性。 他指出，人们今天正在尝试几种不同的方法-一种是基于门的，更像是传统的数字计算机，另一种类似于一种称为量子退火的模拟过程。

D-Wave Systems的首席执行官Vern Brownell（实际上已经交付了一些使用量子退火的机器）说，他的公司选择首先使用该方法，因为我们认为这将比其他任何类型的量子提供更快的功能计算实现。” 他说，D-Wave也研究了其他量子计算模型，但是这种方法最实用。

他解释说，他实际上拥有一个具有1000量子比特的量子退火炉，该量子退火炉能够探索数量为2到量子比特不同可能性的答案空间。 从本质上讲，这适用于复杂的优化问题，并希望找到该优化问题的最低能耗或最佳答案。 布朗内尔指出，谷歌现在已经为其量子人工智能实验室升级了先前购买的机器，研究了它如何有助于机器学习。 洛克希德（Lockheed）是另一个客户，它正在研究一个称为软件验证和确认的问题。

Brownell承认这些示例都还没有真正投入生产，但是表示它们已经运行了可以大规模解决实际问题的实际应用程序。 换句话说，他们还没有达到D-Wave机器优于传统超级计算机的地步，但是他说“我们非常接近这一点”。 在接下来的几个月中，该公司将展示“量子计算机可以胜过传统计算所能做到的最好。我们现在正处于这一关键时刻。”

IBM TJ Watson研究中心物理科学系杰出的研究人员兼高级经理Mark Ritter解释说，他的团队正在做许多不同的量子项目，但是将其工作重点放在了基于门的量子计算和纠错上。 。

他的团队中的一位理论家谢尔盖·布拉维（Sergey Bravyi）发明了“拓扑奇偶校验码”。 他解释说，我们在传统计算机中也使用纠错码，但是量子信息非常脆弱，因此要构建基于门的系统，您需要一个代码来保护那些脆弱的量子信息。 他的团队创建了一个4量子位系统，其量子位称为“ transmons”，可以将某些量子信息保留更长的时间，并且纠错代码可以创建基于门的量子计算。 他说，这就像一个正方形的格子，量子位在方格纸的顶点。 然后，算法会将这些代码叠加到量子位上。 IBM的目标是能够为该算法添加越来越多的量子位。 他说不久，它将能够无限期地保持量子态。

他指出，量子门如何利用所有量子位之间的纠缠并观察所有潜在状态，并将其与当您在池塘中扔很多石头并产生建设性和破坏性干扰时看到的干扰模式进行比较。 他说，最好的答案将受到建设性的干扰，如果对问题有一个答案，那么这个答案将是您最终得到的唯一答案。 他说，在一台基于门的量子计算机中，您可以在此编码中使用干扰，以在处理结束时获得答案，对于某些算法，这应该以指数方式加速。

里特说，尽管这可能还有一段路要走，但人们也正在考虑使用量子位来运行具有高相干性的模拟仿真，例如模拟各种分子。 雅各布斯（Jacobs）同意量子模拟，并谈到了稳定分子的化学模拟以寻找药物。

我询问了Shor的算法，该算法表明，使用量子计算机，您可能会破坏许多传统的密码学。 雅各布斯用比喻为试图将宇航员送入月球的火箭飞船。 Jacobs说，执行我们试图解决的问题的算法（例如Shor的算法）与火箭飞船的命令模块相似，并且纠错（例如Ritter团队正在研究的错误）就像阶段一样火箭。 但是，他说，我们现在拥有的燃料或火箭发动机电动机的类型不足以用于任何规模的火箭飞船。 他说，这是一个非常棘手的问题，而且与进行量子计算和纠错有关的所有开销都意味着当今看来确实很有希望的许多算法可能不会成功。 布朗内尔说，他认为量子计算机要打破RSA加密还有十多年甚至更长的时间，我们将不得不转向后量子密码学。

布朗内尔强调说，量子计算的门模型与量子退火有很大不同，并谈到了在解决当今某些优化问题时它是多么有用。 他还说，它几乎可以解决传统计算机无法解决的问题。 他指出，在某些基准测试中，Google发现D-Wave机器可以比今天的通用算法快30-100, 000倍的速度解决问题。 他说，尽管这不是一个有用的算法，但他的团队将重点放在可以利用此功能的实际用例算法上，因为该处理器的处理器性能每12-18个月就会扩展一次。

Brownell将今天的量子计算与1974年推出第一款微处理器的英特尔进行了比较。 当时他在Digital Equipment Corp.工作，他说：“当时我们并不特别担心Intel，因为它们拥有这些廉价的小型微处理器，其功能远不如我们拥有的大型设备和功能强大。但是在十年之内，您知道业务完全消失了，而Digital则倒闭了。” 他说，虽然他不认为量子计算会威胁到整个经典计算世界，但他确实希望每18个月看到处理器的这些增量改进，以至于它将成为IT经理必不可少的功能。和开发人员使用。

他说，特别是，D-Wave共同开发了概率学习算法，其中一些算法是在深度学习空间中进行的，与没有量子计算相比，它可以更好地识别事物并进行训练。 最终，他将其视为云中的一种资源，将与传统计算机非常配合使用。

Ritter表示，很难将任何量子方法与正在执行通用计算的经典机器进行真正的比较，因为人们正在制造加速器，并使用针对特定任务设计的GPU和FPGA。 他说，如果您实际上设计了专门用于解决问题的ASIC，那么具有真正加速能力的真正量子计算应该击败其中任何一个，因为您添加的每个量子位都会使配置空间加倍。 换句话说，将一千个量子比特放在一起将使空间增加2x1000的幂，他指出，这比宇宙中原子的数量还多。 而且，他说，对于基于门的计算机，问题在于门的运行速度比手机慢，因此您一次执行的操作更多，但每次操作都比传统计算机慢。 他说：“这就是为什么必须看到更大的机器才能制造出更大的机器。”

雅各布斯指出，量子计算的效率可能更高。 他说：“如果看一看使用世界上最好的超级绿色超级计算机所需要的能量，那么如果要进行65 qubit的仿真，则大约需要一个核电站。”如果要做66，将需要两个核电厂。”

布朗内尔说，当前的D-Wave机器具有超过1000量子位，理论上可以处理高达2至1000的模型，相当于10至300的模型。 （为比较起见，他说，科学家估计宇宙中只有约10至80 ^个原子。）因此，他说，计算机性能的限制不是由于量子退火的限制，而是由于I的限制。 / O功能，这是每个新一代都在解决的工程问题。 他声称，在某些基准算法上，该公司的1152量子位计算机的功能应该是传统计算机所能做到的最好性能的600倍。

D-Wave的体系结构使用了带有耦合的量子位矩阵，在某种程度上类似于神经网络，该体系结构已初步应用于机器学习中的深度学习神经网络。

但是他还谈到了其他应用程序，例如运行等效的蒙特卡洛模拟，他曾在高盛（他曾任CIO）进行过价值风险计算。 他记得这需要大约一百万个内核，并且必须在一夜之间运行。 从理论上讲，量子计算机可以用更少的能量完成类似的事情。 他说D-Wave机器消耗很少，但是需要在大型冰箱中运行，该冰箱保持非常低的温度（大约8毫升），但是该机器本身仅需要15-20 kW的功率运行，这非常小用于数据中心。

里特（Ritter）提到了基于门的模型的类似想法，并讨论了量子大都市采样，他说这与量子蒙特卡洛等效，但由于纠缠特性而具有不同的统计数据。

Ritter的团队正在研究量子模拟，它可以计算分子设计并将其映射到量子位的连接中，并使其解决理想模式和分子的所有行为，他说一旦获得约50个电子，这将非常困难。 。

雅各布斯（Jacobs）讨论了量子密码学，其中涉及到一种密钥，该密钥的生成方式可以证明没有人监听传输。 里特说，IBM的查理·本内特（Charlie Bennett）理论化了一种将链接上的量子比特“传送”到机器中另一个量子比特的技术，但是他说，这种技术已经使用了好几年了。

Jacobs指出了量子门计算和量子退火之间的差异，特别是在纠错领域，并指出微软正在研究另一种方法，即拓扑量子计算。

一个有趣的挑战是为此类机器编写应用程序，Ritter将其描述为以特定频率发送音调，从而导致不同的qubit在时间上相互共振并相互作用，从而导致计算“几乎像乐谱”。 他指出，存在较高级别的语言，但是很多工作仍需要理论家。 Jacobs指出，存在各种级别的开源量子语言，例如QASM和Quipper，它们都主要集中在量子门模型上。 Brownell指出，关于量子退火的活动还没有那么多，因为它直到最近才引起争议。他说D-Wave必须自己做很多工作，并且正在努力将语言提升到更高的水平。 他希望在五年内，它将像GPU或其他经典资源一样易于使用。