【好文】为什么说量子计算必将在你关注范围内？| Why Quantum Computing Should Be on Your Radar Now

2018-6月7日

Boston咨询公司和Forrester建议客户在量子计算方面做出明智的决定，从现在就该开始测试研究，应将炒作与实际分开。

Boston Consulting Group and Forrester are advising clients to get smart about quantum computing and start experimenting now so they can separate hype from reality.

关于量子计算

关于量子计算的讨论杂七杂八，对错参半。例如，人们有一种误解，认为量子计算机将取代传统的计算机用在每一个场景里，这是错误的。 “量子计算（Quantum computing）”并不一定是“量子飞跃（quantum leap）”的代名词。相反，量子计算涉及量子物理，这使得它与经典的二进制计算机有着本质上的区别。二进制计算机（经典计算）只能处理1和0。量子计算机则可以同时处理更多的可能性（0或1）。

如果数学和物理让你感到恐慌，打个简单的比喻（虽然不是一个完全正确的类比），灯的开关和调光开关分别代表经典计算机和量子计算机。标准灯开关有两种状态：开和关。调光开关提供了更多的选择，包括打开和关闭状态的开启，关闭和状态范围，这些状态包括了亮度和黑度（调光可以是从暗到明一直包含）。

如果数学和物理学不会让你感到不舒服，那么通过物理数学就知量子计算会涉及量子叠加（quantum superposition），这更加强有力的解释了这些细微差别。

量子计算不是经典计算机的替代品

量子计算机不是传统计算机的绝对替代品的一个原因与它们的物理要求有关。量子计算机需要非常冷的条件才能使量子比特或量子位保持“相干态（Coherent）”。例如，D-Wave的许多输入/输出（I / O）系统必须在15 millikelvin（mK）时运行，这已经接近于绝对零度。15 mK相当于零下273.135摄氏度或零下459.643华氏度。而相比之下，大多数人所拥有的经典计算机都具有内置风扇，甚至现在直接用散热器来散热（也即是经典计算在常温下就工作），超级计算机则更倾向于用循环水进行冷却。换句话说，量子计算机和传统计算机所需的环境操作环境差别很大。当然，有一些努力在尝试，旨在实现室温条件下就保有量子相干性，详情参看文末第一篇论文（Room temperature high-fidelity non-adiabatic holonomic quantum computation on solid-state spins in Nitrogen-Vacancy centers）。

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Brian Hopkins, Forrester

量子计算机和传统计算机是根本不同的工具，Forrester副总裁兼首席分析师Brian Hopkins在最近的一份报告中解释说：“量子计算是一类新兴的硬件和软件技术，它利用亚原子现象来解决计算困难的诸多问题。”

对于量子计算我们的期望什么？什么时候？

行业研究公司波士顿咨询公司（BCG）和Forrester正在试图澄清的量子计算的现状存在很多混乱。在Forrester报告中，Hopkins估计量子计算正处于商业化的早期阶段，这个阶段将持续到2025年至2030年。增长阶段将在该阶段结束时开始，并持续到预测期结束2050年。

BCG最近的一份报告估计，由于两种不同的预测场景，量子计算市场估值将在2630亿美元至2950亿美元之间，这两种预测情景均在2025年至2050年之间。BCG也认为量子计算市场将分三个阶段前进：

第一阶段是特定于具备量子性质的量子计算应用，类似于D-Wave正在做的事情。
第二阶段是则是报告合作者和BCG高级合作伙伴Massimo Russo称之的“更有趣的使用场景”。
在第三阶段中，量子计算机将达到实现量子霸权所需的逻辑量子比特数。 （注意：量子霸权和逻辑量子位与物理量子位是下文重要的概念。）

BCG的Russo说道：“如果你考虑解决问题所需的量子逻辑比特的数量，那么这需要很长一段时间才能找出我们至今尚未确定的用例，分子模拟更接近这个应用，制药公司的兴趣远高于其他行业。”

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Massimo Russo, BCG

量子计算在哪些地方是理想的

生命科学，开发新材料，制造和一些物流问题对于量子计算机来说是理想的，原因有两个：

即使传统计算机能够模拟量子计算机。但量子机器比经典计算机更擅长解决量子力学特性的问题。
问题的本质是如此之困难以至于我们根本无法使用传统计算机来解决相应的问题，或者在合理的成本下无法在合理的时间内使用经典计算机来解决问题。

BCG的Russo汇总问题提到：对于有一些交叉使用案例，其中的某些问题最好是由经典计算机来解决，其他一部分问题则用量子计算机来解决。在这种情况下，经典计算机将问题分开，通过建立API的方式与量子计算机连接，综合量子计算机返回的结果而最终得出问题的答案（IBM Q使用的这种方式，阿里量子和本源量子也使用了同样的方式）。

“把它想象成一个协处理器，以量子的方式解决问题，”Russo道。

尽管目前存在大量的量子计算宣称开发量子计算，但实际上，可能需要一段时间才能看到努力的商业成果，几十年来才能实现其辉煌的价值。

逻辑与物理量子比特

所有的量子位（qubit）都不相同，在两方面都是如此。首先，逻辑量子位和物理量子位之间存在本质的差异。其次，大型科技企业商正在以不同的方式推进量子计算，因此他们的“量子比特”本身可能会有所不同。

当人们谈论量子计算机或说具有多少多少个量子位时，他们指的是物理量子位。我们知道量子比特的重要性在于，伴随量子比特数的增加，其计算能力将呈指数式增长。据微软称，普通计算器比单个量子位能力还要更强大，“但想要模拟50个量子位的量子计算则可能需要现有的超级计算机的极限。”

BCG的Russo表示：对于半导体而言，创建逻辑量子位所需的物理量子比特数高达3000比1。而 Forrester的霍普金斯则表示，他了解的数字一般在1万至1百万或更多（可见创建逻辑量子位的难度很大）。

“没有人确定”，Hopkins说。 “微软认为他们能够将生成逻辑量子位所需的物理量子数减少5倍以上。”

物理量子位和逻辑量子位之间的差异非常重要，因为物理量子位非常不稳定，他们需要额外的量子位来确保纠错和容错。

胜券在握量子霸权（Quantum Supremacy）

由于上述原因，量子霸权并不表示传统计算机的消亡。关于量子霸权，谷歌引用了这个定义：“量子计算领域的一个关键问题是对明确计算任务不管纠错的量子器件是否能够执行超出最先进的经典计算机能力的都被称为量子优势“（”A critical question for the field of quantum computing in the near future is whether quantum devices without error correction can perform a well-defined computational task beyond the capabilities of state-of-the-art classical computers, achieving so-called quantum supremacy.”）。

Forrester的Hopkins说：“我们不会在一夜之间实现量子霸权，我们也不会全面实现量子霸权。” “量子霸权是提供解决方案的助推器，且正将逐步实现，所以我们终将实现量子霸权。谷歌正在大力推进体现量子的价值，这是IBM也大力在推进，尤其在量子化学、分子模拟、投资、风险管理及其财务大力推进。“

最大谬误是认为量子霸权就意味着量子计算机将更好地解决所有问题，而经典计算机注定失败。鉴于该术语的正确定义，谷歌正在试图通过其72-qubits量子处理器Bristlecone实现量子霸权。

现在如何切入量子计算？

首先，了解量子计算机与传统计算机之间的根本区别。鉴于其长度，本文仅仅是介绍性的粗浅介绍。接下来找出其他人正在试图用量子计算机和量子模拟进行研究的内容，并考虑哪些用例可能适用于您的组织。请不要把你的想法限制在别人正在做的事情上。基于对量子计算和贵公司业务领域的基本了解，想象一下可能会发生什么，最终结果可能是很小比例的优化，从而为贵公司带来根本上的竞争优势，或者实现诸如新材料等颠覆性创新。

其次，实验也很关键，不仅要测试假设，还要更好地理解量子计算的实际工作原理。实验可能会激发新的想法，并有助于改进现有的想法。从商业角度看，不要忘记考虑您的工作可能带来的潜在价值。

同时，如果您想获得实际量子计算机的实践经验，请尝试IBM Q.“IBM Q Experience”包括用户指南，交互式演示，Quantum Composer，它可以创建在真实量子计算硬件上运行的算法，了解好QISKit的软件开发工具包。

还有Quantum Computing Playground是一款基于浏览器的WebGL Chrome的实验，该实验具有带有简单IDE接口的GPU加速量子计算机，其自带的具有调试以及3D量子状态可视化功能的脚本语言。

另外，Microsoft Quantum Development Kit Preview现已面世。它包括Q＃语言和编译器，Q＃标准库，本地量子机模拟器，追踪量子模拟器，模拟运行量子程序和Visual Studio扩展所需的资源。