IBM研究院院长量子计算大爆发将在十年内到来

　　摘要：IBM研究院院长达里奥吉尔（DarioGil）教授正处于量子计算革命的最前沿，这场革命即将从根本上改变我们的世界。在此次独家专访中，他解释了实现这个梦想的挑战是什么，为什么你需要成为爱因斯坦才能理解量子计算，以及什么时候才能开始使用量子计算。
　　在IBM发布的照片中，量子计算实验室看起来像一艘宇宙飞船的发动机室：明亮的白色房间，无数的电缆从天花板悬挂到浮动的地板上，上面还有通风口。这些技术细节构成了主角诞生的大背景：在金属支架上悬挂着的白色不锈钢桶，看起来像个电热水器。在这些电热水器中，一场历史性的革命正在酝酿。
　　IBM这个计算界的恐龙，拥有一个多世纪的历史，正试图赢得有史以来最艰苦，最昂贵和最具潜力的科学竞赛开发量子计算机，以此来重塑自己。
　　我们生活在计算史上最激动人心的时代，IBM高级副总裁兼公司研究部门负责人DarioGil在接受采访时说。我们正在见证一个类似于上世纪40年代和50年代的突破性时刻，当时建造了第一台经典计算机。几周后，这一观点得到了进一步的证实，诺贝尔奖委员会宣布将2022年度物理学奖项授予三名研究人员，他们的研究是量子科学领域发展的里程碑。
　　DarioGil在全世界物理学家和计算机工程师中闻名遐迩。他是领导着世界上最先进的量子计算机开发工作的人。9月，当Gil在以色列特拉维夫进行短暂的访问并在IBM会议上发表开幕演讲时，大厅里挤满了以色列顶尖大学的研究人员和政府机构的代表，所有人都被Gil的演讲所吸引。
　　达里奥吉尔（DarioGil）教授（图源：EladGershgoren）
　　46岁的Gil出生于西班牙，后移居美国，在麻省理工学院学习并完成了博士学业，毕业后就开始在IBM从事一系列研发工作。2019年以来，他一直领导着该公司的研究部门，该部门在全球的21个地点拥有3，000名工程师。在他的管理下，2016年，IBM建造了第一台量子计算机，任何人都可以使用其服务：如果你有一个复杂的问题，你可以去IBM量子体验网站，通过云远程访问量子计算机，或许能得到一个答案，听起来很简单。
　　Gill解释道，量子计算机不再是一台超级电子计算机，而是一种全新的计算机，尽管它使用与经典计算机相同的二进制方法。从一串串贝壳，到念珠和算盘，再到基于齿轮的机械计算机，电子计算机，最后到现在的量子计算机，这是进化的又一里程碑。从本质上讲，量子计算机是一种自然模拟器，通过它可以模拟自然过程，从而解决以前无法解决的问题。Gil说，如果经典计算机是数学和信息的结合，那么量子计算就是物理和信息的结合。
　　这种结合，使得以前所未有的速度解决某些类型的问题成为可能。谷歌也在开发量子计算机，它在2019年声称已经达到量子霸权证明了量子计算机比经典计算机在执行某些计算时更加高效。谷歌研究人员展示了量子计算机如何在200秒内完成了经典计算机需要一万年才能完成的计算。此后，这一说法被其他研究人员反驳，他们提出了新算法使得经典计算机执行相同的计算所需时间远少于一万年。即使是谷歌的量子霸权并未被彻底证实，但也让世人看到了量子计算机将拥有的巨大潜力。
　　量子计算机不会淘汰经典计算机：它们将生活在一起，解决不同的问题，Gil解释说。这就像如何从A点到达B点：可以步行、骑自行车、开车或飞行。如果两点之间的距离是50公里，你就不会用飞机，对吧？相应地，这是一种适合经典计算机的模式。量子计算机可以让你飞，甚至飞到月球，而且速度很快。
　　量子计算能做什么
　　量子计算将有可能破解一系列传统无法解决的问题，从而改变世界。其中许多问题都与能源有关，也有一些问题与新材料的开发有关。我们一般对所用的材料不以为然，但在实际上，历史时代就是由当时主要的材料所定义的石器时代、青铜时代、铁器时代等。量子计算将帮助我们开发具有新特性的材料，因此已经使用它的第一个部门是工业，特别是汽车工业。
　　汽车制造商对更好的化学材料感兴趣，希望生产更高效，更耐用的电池。对于普通计算机来说，这是一项艰巨的任务，为了在可接受的时间内完成电池设计，我们必须放弃准确性，只满足于近似的答案，但量子计算可以帮助快速开发最合适的材料，不需要进入实验室进行实验。量子计算机在解决化学问题时的方法效率也适用于制药行业，他们可以初步利用量子计算来预测分子的性质，并以这种方式加快新药开发。在化肥行业，量子计算将开发生产不会损害环境的物质。
　　此外，量子计算的用途不局限于物质世界。例如金融行业，量子计算机能够分析场景，预测和管理风险，为公众显著改善各种优化后的投资组合收益。该行业对这种潜在应用非常感兴趣。
　　IBM（图源：Shutterstock）
　　量子计算还将迫使一些行业重新洗牌，信息安全行业首当其冲。现代RSA加密系统基于计算的不对称性，信息加密后，在密文中包括一个256位或1024位的大数，是某两个大质数的乘积。在已知其中一个质数（作为解密用的私钥）的情况下，求出另外一个质数（加密信息）非常容易，但是想要在不知道初始质数（私钥）是什么的情况下破译加密信息，需要将这个乘积分解成两个质数。使用经典计算机去完成这项质因数分解任务需要很多年。Gil解释说。对于量子计算机来说，这样的计算可能是几秒钟的事情。
　　这里对整个加密行业构成了真正的威胁背后的基础加密逻辑自1970年以来就已建立，然而这一基石突然破裂。的确，普通计算机破解加密问题需要一万年的时间，量子计算机在瞬间就能解决。这就是为什么量子计算机威胁到了网络空间和加密世界，因为这是所有全球信息安全的基础。这与物理学或自然无关，只是与量子计算机更强大，更快的计算能力有关。
　　违反所有直觉规则的计算机
　　要理解量子计算机的力量，首先必须理解量子计算这一概念。第一步是停止在熟悉的0和1的概念中思考，忘记比特和二进制。理解量子计算的关键是认识到0和1的二分法不再适用：量子计算依赖于一种称为量子比特的基本信息单位，而不是比特。量子比特可以同时表达0和1，以及介于两者之间的所有数值。
　　现在是时候解释量子计算机的基础理论了，这似乎违背了常识。量子理论使得解释非常非常小的粒子的行为成为可能，Gil解释说。在学校里，我们看到一个像行星的原子模型，原子核和电子在四处移动，但在20世纪初，这个模型被证明不很准确。当马克斯普朗克（MaxPlanck）和阿尔伯特爱因斯坦（AlbertEinstein）等物理学家意识到光（直到那时物理学将其视为波）也表现为粒子时，并且该粒子的能量只能用量子般的跳跃来描述，即只能取一系列离散的数值时，量子力学就开始发展了。随后的几十年里，这个理论得到了越来越多的发展，并被证明在描述微观粒子世界中的各种现象是有效的。但即使在今天，它的深层含义仍然模糊不清。
　　例如，粒子同时处于多个位置的概念。根据量子理论，在两点之间移动的粒子会同时处于它们之间的所有可能路径中，这种状态称为叠加。这并不是说我们不知道它的确切位置。它并没有在某一个路径中，相反，它同时存在于所有可能的路径里面。换句话说，现实不是确定的，而是概率性的。
　　这并不是量子理论提出的唯一难题。另一个令人困惑的概念是纠缠，在这种情况下，几个粒子具有一个整体的物理属性，并同时（！）对其中一个粒子的变化做出反应，即使它们彼此相距很远。吉尔建议把它看作是掷两枚硬币：任何研究过统计学的人都知道，每个硬币上都有正或背，不同硬币的概率是独立的。但在量子模型中，如果硬币（在这里代表粒子）纠缠在一起，那么丢出一个硬币的结果，将影响另一个硬币。爱因斯坦不相信纠缠，讨厌这些模式，Gil笑着说。
　　现实是由测量决定的？现实不是绝对的，而是概率性的？即使在无限远的距离上也会同时坍缩的纠缠粒子？如果觉得这些概念难以理解或违反直觉，那么您并不孤单。物理学家尼尔斯玻尔（NielsBohr）说：无论谁遇到量子理论并且没有感到震惊，那就是没有理解它。玻尔是爱因斯坦的同代人，也是他的伟大克星，他因对量子理论发展作出卓越贡献而获得诺贝尔奖。顺便说一句，爱因斯坦对玻尔的量子理论持保留态度。另一位因对量子理论的贡献而获得诺贝尔奖的物理学家理查德费曼（RichardFeynman）也说过：如果你觉得你已经理解了量子理论，那么你还没懂。
　　费曼也是量子计算之父：他想模拟粒子的行为，但由于量子力学的概率性，用经典计算机去进行这种模拟要海量的计算时间，因此模拟将变得不可行。费曼以及像他一样的其他物理学家，认为经典计算领域专注于数学，远离自然，而物理学可以与信息世界建立更多的联系，Gil解释说。在1981年的一次历史性演讲中，费曼声称，经典计算机从根本上无法处理粒子模拟，因为自然不是经典的。他说，如果我们想模拟自然，我们需要一台以量子方式运行来模拟自然的机器。1998年，当第一台量子计算机在英国牛津大学建成时，这一愿景得以实现。
　　量子计算机利用我们尚未完全理解的量子理论的神秘性来执行计算操作。在普通计算机中，信息的基本单位是比特，它可以具有两个值之一，0或1；使用这些比特可以执行通用计算，尽管其中一些计算可能需要很长时间。在量子计算机中，由于叠加原理，量子比特代表的不是一个绝对值，而是一个值的分布。你可以把它看作是一个维度更多的问题：1和0只是两极，例如硬币的两面，但它也可能是倾斜的，Gil解释说。使用统计方法可以检查量子比特的状态并获得有用的结果。这种概率法并不适合每个问题，但在解决某些问题时，它比经典计算机寻找答案的效率要高得多。
　　由于纠缠效应，也可能导致量子比特相互影响，Gil说。由于每个量子比特代表一个完整的解空间，因此每添加一个量子比特都会增加量子比特之间可能连接的数量，并且这些连接呈指数级增长。而在经典计算机中，比特的添加使得解空间随线性增长。目前IBM保持着量子比特的世界：去年它推出了一款具有127个量子比特的量子处理器，今年目标是推出433个量子比特的处理器，明年推出1021个量子比特的处理器。
　　比外太空还冷3度
　　这种雄心勃勃的计划看起来自命不凡。事实证明，建造一台行为像大自然的机器是一个超级复杂的故事：量子比特对外界的影响非常敏感，这使得量子计算机非常复杂和昂贵。量子计算机非常强大，但同时也非常脆弱，Gil解释说：它利用了世界上发生的物理过程，但我们希望这样的过程是一个独立且受控的系统。但我们的世界在微观尺度上都是连接在一起的，一切都在相互影响。这可能会破坏计算的结果：如果来自外部世界的能量进入计算系统内部，并接触到量子比特，这将使它们失去量子态，从而失去量子计算的独特能力。因此，量子计算机最大的挑战是产生一个与外部世界充分隔离的系统，但又不能太孤立（以便我们可以操纵量子比特）。
　　IBM已经建造了40台量子计算机，当记者试图了解建造成本时，Gil回避了直接回答，但听听这项工作的难度就可见一斑：有几种不同的方法来构建量子计算机：IBM选择了一种低温方法，这意味着需要超低温并使用超导体。计算机中的温度接近绝对零度：在其底部的超导芯片部分的温度为273C，这要比外太空的温度还低3度，仅比绝对零度高了不到1度。我们知道，温度只能接近绝对零度，但无法达到绝对零度，因为在绝对零度时一切微观粒子将停止运动，甚至没有原子的运动。
　　量子计算机外部是一个用于制冷和保护的外壳，其形状类似于吊起来的电热水器，内部是超导计算芯片和复杂的制冷、控制线路，Gil和其团队形象地称之为枝形吊灯。在保护层核心有一个带有超导处理器的圆柱体。即使只有一小部分能量粒子进入计算机，也足以破坏结果。吉尔说。
　　超级的灵敏度以及由此产生的保护需求，意味着建造量子计算机非常麻烦：在最新的型号中，为了包含越来越多的量子比特，其外壳已经达到了几米的高度。在某种程度上，它让人想起上世纪五十年代的第一代经典计算机，它们看起来像巨大的橱柜。随后那些经典的计算机越来越小，直到今天，我们将数百万倍的计算能力挤入一个简单的智能手机中。但在量子计算机的情况下，我们可能不能指望发生类似的过程：量子计算机需要独特的条件，但这些条件无法在简单的终端设备中获得，这在可预见的未来不会改变，吉尔解释道，我相信量子计算将是一种远程访问的服务，就像我们今天访问云服务一样。它将类似于IBM今天已经实现的工作：计算机与我们同在，我们可以访问云端大脑并接收答案。自2016年以来我们建造了40台计算机，今天已有20台可供公众使用。全世界大约有50万用户已经利用了这些量子计算机的功能，并且基于这种云量子计算，已经发表了大约一千篇科学论文。
　　谷歌和微软竞争加剧
　　IBM并不是唯一一家参与量子计算竞赛的公司，但Gil对自己的领导力充满信心：据他介绍，大多数竞争对手只有整个系统的一部分，而没有一台完整的计算机来解决问题。如前所述，谷歌是这场竞赛的有力竞争者，它还允许远程访问其量子计算服务GoogleQuantumAI；微软也努力在其云平台Azure上提供类似的服务。
　　量子计算是纸上谈兵的承诺吗？这场革命的理论基础在40年前就已经奠定了，第一个实践证明是在20多年前提出的，该行业多年来一直在不断发声，但我们仍然没有看到为普通人服务的用途。
　　如果你回到20世纪40年代，当第一台计算机被发明出来时，你会看到，即使这样，这项新发明的用途和优势也不清楚。那些看到第一台计算机的人说，哦，太好了，你可以用它来破解战争中加密机器的代码，甚至可以计算弹道导弹的路线，仅此而已。谁会使用它？没有人，吉尔笑着说。同样，量子计算的成功将取决于它的用途：编程的难易程度，用户社区的规模，以及人才的规模。量子革命将由一个社区领导，这就是为什么该领域的教育如此重要：我们需要越来越多的聪明人开始思考我如何使用量子计算来助推我所在领域的发展。
　　现在开始的是量子计算的普及化阶段，这将允许任何人都能与量子计算机进行通信，而无需成为该领域的高级程序员：也能使用传统经典语言编写的问题或任务来调用量子计算机。这就是为什么我们今天已经看到量子计算能力在普及使用。
　　还有许多初创公司实际上并没有致力于建立量子计算机，而是专注于深耕量子计算的应用场景。例如，以色列公司QuantumMachines，它为量子计算机开发硬件和软件系统，并在去年7月由创新局选中，并成立以色列量子计算中心。这些公司的活动创造了一个全新的生态系统，从而促进了该行业的加速发展，就像今天在经典计算机领域发生的那样。IBM也不会仅仅依靠自己：我们希望从该领域的聪明人的创新中受益。
　　我相信量子计算的‘大爆发’将在这十年内发生。我们IBM的目标是在未来三年内展示量子霸权。我相信，人工智能的进步与量子计算的结合，将带来英伟达在其市场上制造的那种行业革命（英伟达为游戏计算机开发了独特的处理器，这使其成为最快达到十亿美元收入的芯片公司。）量子计算可以在不同行业产生巨大的价值，尽管这非常困难，但我很清楚，我们将在十年内看到实际的应用。
　　诺贝尔奖为量子计算开辟了新视野
　　几十年来，量子计算激发了研究人员的想象力，但直到现在它还没有离开实验室。然而量子计算的愿景正成为一场真正的革命。今年的诺贝尔奖颁发给了量子科学领域的三位专家：法国的阿兰阿斯佩（AlainAspect）、美国人约翰克劳瑟（JohnClauser）和奥地利人安东蔡林格（AntonZeilinger），他们因自1970年以来（分别）进行的研究而获奖，他们研究了量子纠缠现象，证明了它的存在并为其技术用途铺平了道路。
　　将诺贝尔奖授予量子纠缠研究人员，证明量子计算不仅仅是某个物理学派的思想实验，而且对于投资于该领域发展的公司来说是一个决定性的时刻。由于他们所在的世界发生了根本性的变化，他们被迫做出这一努力：近几十年来，计算世界一直按照摩尔定律运行，该定律预见到计算机处理器中晶体管的密度将每两年翻一番，这将增加芯片的计算能力。然而，随着行业接近物理极限，之后将无法将更多的晶体管塞到芯片上，开发量子计算机的需求变得迫切。
　　这些数字也表明市场正在发生一些事情。2020年，量子计算市场规模不到5亿美元，但在2021年底，作为愿景开始实现的信号，研究公司IDC发布了一项预测报告。根据该报告到2027年，量子计算市场规模将达到86亿美元，该领域的投资将达到160亿美元（2020年为7亿美元，2021年为14亿美元）。IBM的CEO阿文德克里希纳（ArvindKrishna）最近也估计，到2027年，量子计算将成为真正的商业化产业。
　　文章参考链接：
　　https：www。calcalistech。comctechnewsarticleb1kkb9fqi
　　编译：卉可