晓查 发自 凹非寺 
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

摩尔定律已逼近极限，算力还能如何增长？

科学家们正在寻找各种替代方法，例如用超导量子处理器，取代现在的传统计算机。

IBM、谷歌、微软等公司都在砸重金，积极探索这一领域。

在旧金山的一场芯片展会上，IBM副总裁兼研究院Almaden实验室主任Jeffrey Welser接受了外媒VentureBeat的采访，回答了公众关心的问题。

量子计算机为何比经典计算机更快，除了破解密码还有哪些用途，它会有自己的摩尔定律吗？

量子位对Welser的回答做了编译整理，希望能帮你了解量子计算的现状和未来。

什么是量子计算

量子计算是一种计算形式，它利用了一些量子效应，我们认为它可以比传统算法更有效地处理某些类型的算法。量子计算机的基本单元是量子比特（qubit）。

我们都熟悉常规的比特1或0。量子比特可以是1或0，也可以同时处于1和0的叠加。

此外，你可以纠缠两个量子比特，或成百上千个量子比特。每当你对其中一个进行操作时，由于纠缠，它会立即确定所有这些量子比特的状态。

从某种意义上说，它能够进行大规模并行计算。对应到它上面的算法或问题，可以比经典计算机统快指数倍的速度，更快或更好地完成任务。

可以做到这一点的例子是化学和材料，它们本身是基于量子化学。这都是量子效应。你可以更精确地以更大的尺度模拟这些分子。

比如咖啡因分子，它有大约95个电子，不是一个特别大的分子，但是如果想在经典计算机上完全模拟它，你必须有10的48次方个经典bit。作为参考，地球上有大约10的50个原子。显然你永远无法那样做。

使用量子系统，如果它是一个非常强大的容错量子系统，你可以用160个量子比特来做。我们的系统包含50个量子比特，距离160不远。

如果你去访问IBM Q网站，可以玩一下16量子比特的系统。从某种意义上说，我们还有几年的时间去让量子系统比经典系统更具价值，它并不像以前那么遥远。

量子计算机的工作环境

量子计算机做成这样的结构是因为芯片芯片需要隔离。量子计算芯片在底部，导线全都汇入那里。

如果要使用它，会有一个罐子和周围的东西来做隔离。当它被隔离时，整个系统会降低到低压，也会降到低温，这才是真正重要的。

整个装置从上到下，温度依次降低。顶部约为40开尔文，然后再下降到4开尔文、100毫开尔文，依此类推。当到达底部时，温度是15毫开氏度，也就是绝对零度以上千分之15度。作为参考，太空的温度大约是2到3开尔文。量子计算机的核心温度比外太空要冷几百倍。

需要将它冷却的原因是隔离热干扰。任何热能都会使量子比特摆脱我们想要的叠加状态。即使有了这些隔离，量子比特也仅能保持约100微秒（万分之一秒）的叠加状态。

但这仍然是一个很短的时间，我们必须在该时间段内完成所有计算。

量子计算机现在有什么用？

大多数关注它的人主要集中在三个领域。

其中一个是化学与新材料的发现。

JSR是一家大型半导体聚合物生产商。他们相信当系统足够大时，量子计算将帮助他们发现具有不同属性的新材料，以满足任何必要的应用。材料推动了汽车、电池等产品的快速发展。在三到五年内，我们将拥有足够大的系统。

另一个用途是优化。

摩根大通和巴克莱是我们的会员。他们正在考虑使用大型量子蒙特卡罗模拟或其他优化问题，以定价债券或预测非常复杂的金融系统的行为。今天我们用超级计算机能做到这一点，问题是性能有限，你只能模拟这么多。

最后一个是AI和机器学习。

有一些机器学习问题可以映射到量子系统，量子计算机可以让你做出比在标准系统上更大的参数和特征空间集。大约六个月前，我们刚刚发表了一篇相关论文。

还有一点我没有提到过的，就是大多数人都在想的因子分解或密码学，这种观点认为量子计算机可能会非常大，因此可能会破解我们正在使用的加密方法。

确实，如果你有一个足够大的系统，可以分解一个非常大的数字，当前在互联网上使用的加密类型将是脆弱的。但要实现这一目标，可能需要一个数千甚至上百万个量子比特的系统，必须非常强大，毫无差错的量子比特，这是我们今天没有的。

在我们拥有足够大的系统之前，至少有10年甚至20年，不需要担心这个问题。同时，已经有一些已知的加密方法，不能很好地映射到量子计算机上。即使你拥有一个非常庞大的系统，也不会受到攻击。

现在考虑这些问题还为时过早。

如何看待外界质疑

我们看到它正在逐步向前发展。很多人持怀疑态度，因为只有两种已知的算法被证明在量子计算机上算得更快。这两种算法分别是：Shor算法用于因子分解，Grover算法用于搜索。其他一切更多的都是猜测，量子计算机是否真的会更快。

如果你把量子计算机扩展到一定数量的量子比特，那么它能比在经典系统上做得更多。有些研究开始运行模拟并表明可以做到这一点，破除了一些怀疑。

另一件事是，我们开始了我们自己的增加量子卷（quantum volume）的路线图。也就是说，在增加量子比特的同时，找到降低错误率的方法。这表明你可以做越来越深的电路，越来越复杂的算法。

量子计算会有摩尔定律吗

二者不可以直接比较。

我们正在研究的一件事是，希望每年将量子卷增加一倍，类似于摩尔定律将晶体管数量增加一倍的方式。

但这是一个更复杂的问题，因为量子卷增加一倍，不仅需要增加量子比特的数量。这点很容易，在40nm范围内，我们可以很容易地制造更多的量子比特。

但是如果我们不降低量子比特的错误率，那么即使有更多的量子比特也没有帮助。

我们希望找到持续定期降低错误率的方法，以摩尔定律的模式改进量子卷。但现在涉及的物理学非常不同。

原文链接：
https://venturebeat.com/2019/07/14/ibm-research-explains-how-quantum-computing-works-and-could-be-the-the-supercomputer-of-the-future/

作者系网易新闻·网易号“各有态度”签约作者

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