走进科学, 量子
量子计算的现实检验
虽然量子计算领域充满了炒作，但怀疑论者们表示，其实际应用还很遥远。
量子计算机的革命可能离我们预期的还远，其影响也可能并不像许多人被误导的那样广泛。这种观点来自于量子计算领域内一小部分但声音醒目的怀疑论者。
量子计算机被吹捧为解决多种问题的完美工具，包括金融建模、优化物流、以及加速机器学习。一些量子计算公司提出了更加雄心勃勃的时间表，他们表示，这些机器可能在短短几年内就能对实际问题产生真正的影响。然而，对于许多人看来，这种对技术的期望似乎过于不切实际，因此开始有人提出反对。
Meta的LeCun不以为然
Meta人工智能研究部门负责人Yann LeCun近期在一次媒体活动上表示，量子计算机在近期内无法做出有意义的贡献。他在庆祝Meta基础人工智能研究团队十周年纪念活动上发表了这一观点。他表示，这项技术“是一个引人入胜的科学话题，”然而他对于“实际制造出真正有用的量子计算机”的到来存疑。
尽管LeCun并非量子计算领域的专家，但该领域的领军人物也在提出警告。亚马逊网络服务(AWS)量子硬件部门主管Oskar Painter表示，由于目前这个行业充满了“巨大的炒作”，人们往往难以分辨出乐观的预测和完全不现实的预测。
现代量子计算机面临的一项根本挑战便是易于发生错误。有人提出，这种被称为“噪声中等量子”(NISQ)处理器仍能进行有益的工作。然而，派纳表示，越来越多的人认识到这种可能性不大，量子纠错方案将是实现实用量子计算机的关键。
“在过去的十年里，我们发现，许多人提出的东西其实行不通。然后我们又发现了其中的一些非常简单的原因。”
——Matthias Troyer，微软
目前最流行的提议是通过在多个物理量子位上分布信息来创建“逻辑量子位”，这样的量子位更稳健。但这可能需要每个逻辑量子位至少有1000个物理量子位。有人提出，量子纠错可能根本就是不可能的，尽管这不是主流观点。不论如何，派特纳表示，要达到规模和速度的要求，实现这些方案还是遥不可及的目标。
“鉴于实现能够对数以千计的量子位运行数十亿个门的容错量子计算机还有很多技术挑战，很难确定具体时间线，但我估计至少还需要十年的时间。”他说。
微软：需要澄清
问题并非仅仅是时间表的问题。今年五月，微软的技术专家Matthias Troyer，他负责公司的量子计算努力，参与了ACM通讯的一篇论文写作，里面暗示，量子计算机能够带来实质性优势的应用数量可能远远没有你想象的那么多。
“我们在过去的十年里发现，许多人提出的东西其实行不通。”他表示，“然后我们找到了其中的一些非常简明的原因。”
量子计算的主要优势就是能够解决问题的速度比传统计算机快得多，但具体快多少确实有所不同。特罗耶说，利用量子算法似乎能够提供指数级的加速，只有两种应用。其中之一是因数分解大数，这可能使得破解互联网所依赖的公钥加密成为可能。另一个是模拟量子系统，可以应用在化学和材料科学中。
其他许多问题，包括优化问题、药物设计和流体动力学，量子算法也提出了有效的解决方案。但兜售的加速效果并不总是能实现 -- 有时候只能达到二次性的收益，也就是说，量子算法解决问题的时间是其经典对应算法解决问题时间的平方根而已。
Troyer表示，这些收益在尽头会被量子计算机带来的大量计算负担抹平。遣使一个量子位比切换一个晶体管混乱数个数量级。这意味着对于一些较小的问题，传统计算机永远会更快，何时量子计算机能够扳回一城，取决于经典算法复杂度增长的快慢。
Troyer和他的同事将一款单独的Nvidia A100 GPU和一个拥有1000个“逻辑量子位”的假设未来的容错量子计算机(它的门时间要比今天的设备快很多)进行了比较。特罗耶表示，他们发现，即使是一个二次速度的量子算法也需要运行数个世纪，甚至数个千年，才能在处理大到有用的问题时胜过经典算法。
另一个重大障碍是数据带宽。量子位的慢速操作基本上限制了你能够在量子和经典计算机间传输的速率。即使在乐观的未来情景下，特罗耶说，该速率可能会比经典计算机慢数千甚至数百万倍。这意味着对于需要大量数据的应用程序，比如机器学习或搜索数据库，在可预见的未来几乎肯定是不可能的。
Troyer的结论是，量子计算机应当主要用于那些数据量较小并且有指数级加速需求的问题。他补充到：“所有其他的概念都美得惊人，但实操起来却不现实。”
Troyer的这篇论文在量子科研群体并没有产生太大影响，但他表示，许多微软的客户对能够清晰了解量子计算实际应用的范围表示感激。他表示，他们注意到有一些公司正在缩小甚至关闭他们的量子计算团队，其中包括财务和生命科学领域。
Aaronson欢迎怀疑论者
如果如果你一直在关注量子计算领域的研究，那么这些限制不应该会让你感到惊讶，德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学教授Scott Aaronson这样表示。“有些人声称量子计算将使机器学习、优化、金融以及其他许多行业得到革命性的改变，而我从一开始就对此表示怀疑。”他说，“如果人们现在才开始认识到这一点，那么，欢迎加入。”
尽管他也认为实际应用还有很长的路要走，但最近该领域的一些进展实际上让他对未来充满了乐观态度。上个月初，来自量子计算初创公司QuEra和哈佛的研究者展示了他们能够使用一个拥有280个量子位的处理器来生成48个逻辑量子位，这比以往的实验都要多。“这绝对是过去几年里最重要的实验性进步。”艾伦森说。
“当你说量子计算将解决所有世界的问题，然后却没有，或者是现在还没有，这就造成了一些让人沮丧的感觉。”
——Yuval Boger，QuEra
QuEra的首席市场官Yuval Boger强调，这个实验仅仅是实验室的示范，但他也认为这个结果让一些人重新评估了他们对容错量子计算的时间表。同时，他表示，他们也注意到了一种趋势，即许多公司正悄悄地将资金转向非量子计算领域。
这部分是由于人工智能大型语言模型的出现引发了对人工智能的热情。但他也同意行业中的一些人过度夸大了这项技术在短期内的可能性。他表示，炒作是一把双刃剑。“从一方面看，它可以帮助我们吸引投资和优秀的人才，让他们激动于进入这个领域，”他说，“但另一方面，当你说量子计算将解决所有的世界问题，然后却没有，或者是现在还没有，这就造成了一些让人沮丧的感觉。”
即使在量子计算机最有希望的领域，最初希望的应用也可能比预期要窄。近年来，来自科学软件公司Schrödinger和一个多院团队的论文都表示，实际上只有一小部分量子化学问题会从量子加速中受益。
默克公司：让人欣慰的加速器
人们也需要记住，许多公司已经有了成熟的量子化学流程，可以在经典硬件上操作，德国大型药企默克公司的全球数字创新主管菲利普·哈巴赫说道(这里的默克不是美国的默克公司)。
“在大众眼中，量子计算机的形象就是能够实现现在无法实现的事情，这是不准确的，”他说道。“主要的变革将是对现有流程的加速，而不是完全打破现有流程引入全新的应用领域。因此，我们在评估一个差距。”
哈巴赫的团队已经研究了量子计算对于默克公司工作的相关性近6年。他们得出的结论是，尽管NISQ设备可能会对某些特定的高度专门化的问题有所用处，但在容错实现之前，量子计算不会对行业产生重大影响。即使它们实现容错，其变革效应可能如何也因公司的特定应用案例和产品的不同而不同，哈巴赫表示。
本文译自 IEEE Spectrum，由 BALI 编辑发布。