量子計(jì)算的冷酷現(xiàn)實(shí)檢驗(yàn)

量子計(jì)算機(jī)革命（https://spectrum.ieee.org/quantum-computing-for-dummies）可能比許多人所認(rèn)為的更遙遠(yuǎn)、更有限。這是來(lái)自新興量子計(jì)算行業(yè)等群體的信息。量子計(jì)算機(jī)被看作是一系列問(wèn)題的解決方案，包括財(cái)務(wù)建模、優(yōu)化物流和加速機(jī)器學(xué)習(xí)。量子計(jì)算公司提出的一些更雄心勃勃的時(shí)間表表明，這些機(jī)器可能在短短幾年內(nèi)影響現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題。但對(duì)于許多人認(rèn)為對(duì)這項(xiàng)技術(shù)不切實(shí)際的期望，人們?cè)絹?lái)越抗拒。

Meta的LeCun——沒(méi)那么快

Meta人工智能研究負(fù)責(zé)人Yann LeCun最近成為頭條新聞，此前他對(duì)量子計(jì)算機(jī)在不久的將來(lái)做出有意義貢獻(xiàn)的前景潑了一盆冷水。在慶祝Meta基礎(chǔ)人工智能研究（Fundamental AI Research）團(tuán)隊(duì)成立10周年的媒體活動(dòng)上，他說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)是“一個(gè)引人入勝的科學(xué)話題”，但他不太相信“制造出真正有用的量子計(jì)算機(jī)的可能性”。

雖然LeCun不是量子計(jì)算專家，但該領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物也發(fā)出了警告。亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)量子硬件主管Oskar Painter表示，目前該行業(yè)存在“大量炒作”，“很難從完全不切實(shí)際的東西中篩選出樂(lè)觀的部分。”

當(dāng)今量子計(jì)算機(jī)面臨的一個(gè)根本挑戰(zhàn)是，它們非常容易出錯(cuò)。一些人認(rèn)為，這些所謂的“噪聲中等規(guī)模量子”（NISQ，https://spectrum.ieee.org/measuring-progress-in-the-noisy-era-of-quantum-computing）處理器仍然可以發(fā)揮作用。但Painter表示，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到這是不可能的，量子糾錯(cuò)方案（https://spectrum.ieee.org/quantum-error-correction）將是實(shí)現(xiàn)實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。

“We found out over the last 10 years that many things that people have proposed don’t work. And then we found some very simple reasons for that.”
—Matthias Troyer,Microsoft

領(lǐng)先的提案涉及在許多物理量子位上傳播信息，以創(chuàng)建更穩(wěn)定的“邏輯量子位（https://spectrum.ieee.org/fault-tolerant-quantum-computing-milestone）”，但這可能需要每個(gè)邏輯量子位數(shù)達(dá)到1000個(gè)物理量子位數(shù)。一些人認(rèn)為，量子糾錯(cuò)甚至可能從根本上是不可能的，盡管這不是主流觀點(diǎn)。Painter說(shuō)，無(wú)論哪種方式，以所需的規(guī)模和速度實(shí)現(xiàn)這些方案仍然是一個(gè)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。

他說(shuō)：“考慮到實(shí)現(xiàn)一臺(tái)能夠在數(shù)千個(gè)量子位上運(yùn)行數(shù)十億個(gè)門的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的剩余技術(shù)挑戰(zhàn)，很難確定出來(lái)一個(gè)時(shí)間表，但我估計(jì)至少需要十年?！?/p>

Microsoft —— 澄清

問(wèn)題不僅僅在于時(shí)間尺度。今年5月，領(lǐng)導(dǎo)微軟量子計(jì)算工作的微軟技術(shù)Fellow Matthias Troyer在《美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊》上與人合著了一篇論文（https://cacm.acm.org/magazines/2023/5/272276-disentangling-hype-from-practicality-on-realistically-achieving-quantum-advantage/fulltext），指出量子計(jì)算機(jī)可以提供有意義優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用程序數(shù)量比你想象的要有限。

他說(shuō)：“在過(guò)去的10年里，我們發(fā)現(xiàn)人們提出的許多建議都不起作用。然后我們找到了一些非常簡(jiǎn)單的原因?！?/p>

量子計(jì)算的主要前景是能夠以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快得多的速度解決問(wèn)題，但具體速度各不相同。Troyer說(shuō)，在兩種應(yīng)用中，量子算法似乎提供了指數(shù)級(jí)的速度。一種是對(duì)大數(shù)字進(jìn)行分解，這可能會(huì)破壞互聯(lián)網(wǎng)所建立的公鑰加密。另一種是模擬量子系統(tǒng)，這可能在化學(xué)和材料科學(xué)中有應(yīng)用。量子算法已經(jīng)被提出用于一系列其他問(wèn)題，包括優(yōu)化、藥物設(shè)計(jì)和流體動(dòng)力學(xué)。但其加速的結(jié)果并不總是成功的。

Troyer說(shuō)，這些收益可以很快被量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的巨大計(jì)算開(kāi)銷所抵消。操作量子位比切換晶體管要復(fù)雜得多，因此要慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著，對(duì)于較小的問(wèn)題，經(jīng)典計(jì)算機(jī)總是更快，量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)先的點(diǎn)取決于經(jīng)典算法的復(fù)雜性擴(kuò)展的速度。

Troyer和他的同事將一個(gè)Nvidia A100 GPU（https://spectrum.ieee.org/nvidia-qubit）與一臺(tái)虛構(gòu)的未來(lái)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了比較，該計(jì)算機(jī)擁有10000個(gè)“邏輯量子位”，其門控速度是當(dāng)今設(shè)備的數(shù)倍。Troyer說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)一個(gè)二次加速的量子算法必須運(yùn)行幾個(gè)世紀(jì)，甚至幾千年，才能在大到有用的問(wèn)題上勝過(guò)經(jīng)典算法。

另一個(gè)重要障礙是數(shù)據(jù)帶寬。量子比特緩慢的操作速度從根本上限制了你進(jìn)出量子計(jì)算機(jī)的經(jīng)典數(shù)據(jù)的速率。Troyer說(shuō)，即使在樂(lè)觀的未來(lái)情況下，這也可能比經(jīng)典計(jì)算機(jī)慢數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)倍。這意味著在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)或搜索數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序幾乎肯定遙不可及。

Troyer說(shuō)，結(jié)論是量子計(jì)算機(jī)只會(huì)以指數(shù)級(jí)的速度真正解決小數(shù)據(jù)問(wèn)題。他補(bǔ)充道：“剩下的都是漂亮的理論，但并不實(shí)用?！?/p>

Troyer說(shuō)，這篇論文在量子社區(qū)沒(méi)有產(chǎn)生太大影響，但許多微軟客戶都很感激能對(duì)量子計(jì)算的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有所了解。他說(shuō)，他們已經(jīng)看到許多公司縮減甚至關(guān)閉了量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)，尤其是在金融領(lǐng)域。

Aaronson——?dú)g迎，懷疑論者？

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Scott Aaronson說(shuō)，這些限制對(duì)任何一直密切關(guān)注量子計(jì)算研究的人來(lái)說(shuō)都不應(yīng)該感到驚訝。他說(shuō)：“有人聲稱量子計(jì)算將如何徹底改變機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化、金融和所有這些行業(yè)，我認(rèn)為在這些行業(yè)，人們總是持懷疑態(tài)度。如果人們現(xiàn)在開(kāi)始更加關(guān)注這一點(diǎn)，那么，非常歡迎?！?/p>

雖然他也認(rèn)為實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但該領(lǐng)域最近的進(jìn)展實(shí)際上讓他有理由感到樂(lè)觀。本月早些時(shí)候，量子計(jì)算初創(chuàng)公司QuEra和哈佛大學(xué)的研究人員證明，他們可以使用280個(gè)量子位處理器生成48個(gè)邏輯量子位（https://www.newscientist.com/article/2407145-quantum-computer-sets-record-on-path-towards-error-free-calculations/），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)之前的實(shí)驗(yàn)（https://scholar.google.com/scholar?q=quantum+computers+%22logical+qubits%22&hl=en&as_sdt=0,22）。Aaronson說(shuō)：“這無(wú)疑是幾年來(lái)最大的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展?！?/p>

“When you say quantum is going to solve all the world’s problems, and then it doesn’t, or it doesn’t right now, that creates a little bit of a letdown.”
—Yuval Boger, QuEra

QuEra首席營(yíng)銷官Yuval Boger熱衷于強(qiáng)調(diào)，該實(shí)驗(yàn)是一次實(shí)驗(yàn)室演示，但他認(rèn)為，這些結(jié)果促使一些人重新評(píng)估了容錯(cuò)量子計(jì)算的時(shí)間表。不過(guò)，他表示，與此同時(shí)，他們也注意到了公司悄悄將資源從量子計(jì)算轉(zhuǎn)移出去的趨勢(shì)。

他說(shuō)，這在一定程度上是由于自大型語(yǔ)言模型出現(xiàn)以來(lái)，人們對(duì)人工智能的興趣不斷增長(zhǎng)。但他也同意，業(yè)內(nèi)一些人夸大了這項(xiàng)技術(shù)的近期潛力，并表示炒作是一把雙刃劍。他說(shuō)：“這有助于獲得投資，讓有才華的人對(duì)進(jìn)入該領(lǐng)域感到興奮。從另一方面來(lái)看，當(dāng)聲稱量子將解決世界上所有的問(wèn)題但卻沒(méi)有，或者說(shuō)現(xiàn)在沒(méi)有實(shí)現(xiàn)時(shí)，這會(huì)讓人有點(diǎn)失望?！?/p>

即使在量子計(jì)算機(jī)看起來(lái)最有前景的領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍也可能比最初希望的要窄。近年來(lái)一些研究團(tuán)隊(duì)（https://arxiv.org/pdf/2208.02199.pdf）的論文表明，量子化學(xué)中只有少數(shù)問(wèn)題可能受益于量子加速。

Merck KGaA —— 有時(shí)是一種很好的加速器

同樣重要的是要記住，許多公司已經(jīng)擁有在經(jīng)典硬件上運(yùn)行的成熟且高效的量子化學(xué)工作流程，位于德國(guó)達(dá)姆施塔特的德國(guó)制藥巨頭默克公司（Merck KGaA）全球數(shù)字創(chuàng)新負(fù)責(zé)人Philipp Harbach如此表示（不要與美國(guó)默克公司混淆）。

他說(shuō)：“在公眾面前，量子計(jì)算機(jī)被描繪成可以實(shí)現(xiàn)目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的東西，這是不準(zhǔn)確的。首先，它將加快現(xiàn)有流程，而不是引入一個(gè)完全顛覆性的新應(yīng)用領(lǐng)域。因此，我們正在評(píng)估其中的差異?！?/p>

大約六年來(lái)，Harbach的團(tuán)隊(duì)一直在研究量子計(jì)算與默克公司工作的相關(guān)性。雖然NISQ設(shè)備有可能用于某些高度專業(yè)化的問(wèn)題，但他們得出的結(jié)論是，在實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)之前，量子計(jì)算不會(huì)對(duì)工業(yè)產(chǎn)生重大影響。Harbach說(shuō)，即便如此，這種影響的變革程度實(shí)際上取決于公司正在開(kāi)發(fā)的具體用例和產(chǎn)品。

量子計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)為經(jīng)典計(jì)算機(jī)在更大范圍內(nèi)難以解決的問(wèn)題提供準(zhǔn)確的解決方案。Harbach說(shuō)，這可能對(duì)一些應(yīng)用非常有用，比如設(shè)計(jì)新的催化劑。但默克公司感興趣的大多數(shù)化學(xué)問(wèn)題都涉及快速篩選大量候選分子。

他說(shuō)：“量子化學(xué)中的大多數(shù)問(wèn)題都不是指數(shù)級(jí)的，近似值就足夠了。它們都是表現(xiàn)良好的問(wèn)題，你只需要隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加而使其加速?！?/p>

盡管如此，微軟的Troyer表示，仍有理由保持樂(lè)觀。即使量子計(jì)算機(jī)只能解決化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的有限問(wèn)題，其影響仍可能改變游戲規(guī)則。他說(shuō)：“我們談?wù)摰氖鞘鲿r(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代和硅時(shí)代，所以材料對(duì)人類有著巨大的影響?！?/p>

Troyer說(shuō)，表達(dá)一些懷疑的目的不是減少人們對(duì)該領(lǐng)域的興趣，而是確保研究人員專注于最有希望、最有影響力的量子計(jì)算應(yīng)用。