量子計算機的性能何時能超越傳統(tǒng)計算機？

　　傳統(tǒng)計算機性能的提升面臨挑戰(zhàn)，光子計算、量子計算、生物計算等新的技術(shù)都引發(fā)了業(yè)界關(guān)注。量子計算被認為能夠解決傳統(tǒng)計算不能解決的問題，但目前量子計算面臨諸多挑戰(zhàn)，性能還未超越傳統(tǒng)計算機。從實踐者的角度看，量子計算的部署至少還需要幾年時間。

　　到目前為止，提到量子計算大部分人都會認為這是一種革命性的技術(shù)，它利用量子力學的奇特特性更快解決問題，甚至解決普通計算機無法解決的問題。這些問題從數(shù)學到零售業(yè)，從物理到金融。如果率先掌握量子技術(shù)，將有利于提升國家的競爭力。

　　量子計算的前景在 20 世紀 80 年代首次得到認可，但至今仍未實現(xiàn)。量子計算機難以設(shè)計、建造和編程。其中，相干性、量子損失是巨大的挑戰(zhàn)，這對量子計算機的運營至關(guān)重要，這可能會導致重要程序在運營之前系統(tǒng)就崩潰。

　　雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))了解到，目前全球有許多巨頭都參與了量子計算的競爭，國外的 IBM、谷歌、英特爾，國內(nèi)阿里、華為都取得了不同程度的進展，學術(shù)界以及國家實驗室也有量子計算的相關(guān)研究。

　　雖然 IBM，谷歌和 IonQ 正在測試 50 、72 甚至-160 量子位的設(shè)備，但每增加一個量子位就會使機器復雜程度增加兩倍，在這些量子位有限的系統(tǒng)中，研究人員只能在量子衰減之前執(zhí)行少量量子操作或“門”。太多的量子比特會使系統(tǒng)崩潰。

　　不僅如此，建造和操作量子計算機的每一步都很難，與傳統(tǒng)的芯片不同，要么用激光捕獲單個原子，要么用激光器來制造。這通常需要將處理器保持在幾乎絕對零度，控制這個系統(tǒng)被證明非常困難，電磁脈沖的設(shè)計必須完美設(shè)計，因為來自外部環(huán)境的一小部分能量可能導致量子比特衰減。

　　由振動、溫度波動、電磁波還有其他外部環(huán)境的相互作用引起的這種相干性(稱為退相干)的損失最終破壞了量子的奇異特性。鑒于目前普遍存在的退相干和其他問題，當代量子計算機不太可能返回完全正確的答案，即使運行的時間比較短。

　　雖然技術(shù)和架構(gòu)的競爭正在解決這些問題，但現(xiàn)有的硬件平臺不能保持一致性并提供大規(guī)模量子計算所需的強大糾錯能力。或許，幾年之后可能會取得突破。

　　與此同時，這個價值數(shù)十億美元的問題是，在完成普及的計算方式之前，我們?nèi)绾螐囊慌_不可靠的計算機中獲得有用的結(jié)果?

　　答案是，工業(yè)界、學術(shù)界和國家實驗室的研究人員都在尋求減少錯誤的方法。一種方法是基于各種噪聲大小的計算結(jié)果來猜測無差錯計算的結(jié)果。另一種完全不同的方法是，混合量子經(jīng)典算法，只在量子計算機上運行程序中最關(guān)鍵的部分，大部分程序運行在更穩(wěn)定的經(jīng)典計算機上。事實證明，這些策略和其他策略對于應對當今量子計算機的干擾問題非常有用。

　　雖然經(jīng)典計算機也受到各種錯誤的影響，但這些錯誤可以通過適量的額外存儲和邏輯來糾正。量子誤差校正方案確實存在，但會消耗大量的量子位(量子位)，以至于只有相對較少的量子位能用于實際計算。這將使量子計算機可以計算的任務(wù)大大減少。

　　為了更清楚地了解量子比特的消耗，今天最先進的基于量子門的量子計算機，它使用類似于計算機、智能手機或平板電腦中的數(shù)字電路的邏輯門，目前，最先進的量子計算機只有 50 個量子位。而目前常見的計算設(shè)備中通常有數(shù)十億個邏輯門。

　　麻煩的是，量子力學挑戰(zhàn)了我們的直覺。因此，我們很難找出執(zhí)行任務(wù)的最佳算法。為了克服這些問題，Los Alamos 國家實驗室的團隊正在開發(fā)一種方法來優(yōu)化在相干的量子計算機上執(zhí)行有用任務(wù)的算法。

　　算法可以理解為是告訴計算機執(zhí)行操作的列表，類似于烹飪的配方。與傳統(tǒng)算法相比，量子計算的算法最好盡可能短，并且研究團隊發(fā)現(xiàn)，最適合于給定硬件設(shè)備的特定缺陷和噪聲方案。這使得該算法能夠在退相干之前在約束時間框架內(nèi)執(zhí)行更多的處理步驟，從而將正確結(jié)果盡可能提高。這種方法的主要思想是減少門的數(shù)量，試圖在退相干之前完成執(zhí)行，讓其他錯誤來源沒有成功的可能性。

　　當然，量子計算正一步步走向商用。摩根大通 (JPMorgan Chase&Co)看到了將量子計算作為一種具備潛力顯著加速金融計算的方法，自 2017 年底以來，該銀行一直與 IBM 的研究人員合作，試驗量子計算。

　　雖然距離部署還需要幾年時間，但摩根大通已經(jīng)看到了一些小的成果，包括在理論上證明量子計算可以從根本上加速某些金融模型的成功。

　　摩根大通公司和投資銀行定量研究總經(jīng)理 Ning Shen 表示，這項技術(shù)需要幾年時間才能成熟，部分原因是所需的硬件非常復雜，適應和創(chuàng)建新的量子算法需要時間。

　　至于公司何時可以開始從量子計算中看到可衡量的商業(yè)價值，時間從三年到十年不等，但這并不能阻止像摩根大通這樣的公司進行早期試驗。值得注意的是，據(jù) Gartner 的預測，到 2023 年，包括企業(yè)或政府在內(nèi)的組織預計將有 20% 為量子計算項目準備預算，而 2018 年不到1% 。
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