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量子霸权将成计算史上里程碑,100亿美元的量子计算机有多远

发布时间: 2020-01-19 03:37:09来源:

第一台电子计算机的出现曾让媒体兴奋不已。那是1946年的情人节, 《纽约时报》首先报道了此事。该报在头版讲述了关于这台“神奇的机器”的故事,并将其成为“二战的最高机密之一”。它能够以前所未有的速度处理数字信号,这台名为“电子数字积分和计算机”(ENIAC)中包含18000个真空管,有望“彻底改变现代工程”。一些人认为,ENIAC将开创一个新的工业设计时代。


量子霸权将成计算史上里程碑,100亿美元的量子计算机有多远


世界上第一台电子计算机诞生于1946年初,包含18000多个电子管


70多年过去了,我们又迎来了一个更加夸张的口号:“量子霸权”。有几家公司,尤其是谷歌、IBM和总部位于加州的Rigetti,正在竞相建造一台机器,实现了所谓的“量子霸权”。这一壮举将标志着量子计算机首次超越最优秀的传统计算机的时刻的到来。作为这些企业中的领军者,谷歌预计可以在今年内成功实现这一目标。


量子计算机可以比传统计算机更快地解决某些问题。在药物开发、材料设计、天气预报、股票交易等事务上,量子计算机都可以提供帮助,它们可以同时执行大量的计算任务。自20世纪80年代以来,物理学家已经发现了这一点,但直到最近才开始制作原型机。


与其主要竞争对手一样,谷歌也正在构建所谓“通用门”量子计算机。它与传统计算机有相似之处,不同之处在于,标准计算机处理的0和1的数字位,量子计算机则使用“量子位”,它可以取0到1之间的任何值。


当量子位通过量子纠缠相互连接时,量子计算机有能力完成传统计算机上需要花数十亿年才能完成的计算任务。今天最大的量子计算机有大约20个超导量子位。预计将实现“量子霸权”的下一代芯片将至少将这个数字提升至50个。


系统脆弱、价格奇高:“量子霸权”就是说说而已


“量子霸权”将是科学上的一项了不起的成就。但它并不会很快改变世界。事实是,可以在今天的量子计算机上运行的算法其实并没有多大用处。比如,其中一种主要算法会使量子计算机产生随机数。这对于实现量子霸权非常有用,但对于其他方面呢?可能用处不大。


波士顿咨询集团最近的量子计算报告已经催生100多位专家和150篇同行评审的论文。该报告认为,第一批量子计算应用将在三到五年内开发完成,量子计算机采用材料模拟,可以减少昂贵、耗时的实验室测试。报告称,未来几十年,量子计算机带来的生产力增长将达到4500亿美元(3720亿英镑)。


好吧,不要忘了我们还有很长的路要走。要计算一些有用的东西 - 比如说,一种新物质的化学特性,需要几百万的量子比特。但要从50个量子比特扩展到数百万量子比特并不是件容易的事。事实上,这个挑战是很艰巨的。


一个重要问题是,量子系统异常脆弱。为了保持量子行为的进行,量子比特芯片需要封装在带真空泵的密封盒中,以去除杂散空气分子,或者将温度冷却到仅仅稍高于绝对零度的极低温。要实现更多的量子比特通信意味着需要更多的冰箱、更多的连接和更高昂的费用。


更糟糕的是,这些设备对哪怕最微弱的干扰也非常敏感,即使是脚步声也会让它们出现错误。即使将系统安置在遥远的保护机房中,并通过云端访问,也不清楚百万量子比特计算机是否能够长时间保持稳定运行状态。


困难还不止这些。量子计算机不是独立的设备,需要传统计算机和其他设备来支持,实现编程、操作和监控。除此之外,还有机器输出的计算负载也是个大问题。一台运行在几千兆赫兹的1000万量子比特的量子计算机每秒会发送超过10TB的数据。这堪称信息海啸,甚至超过了CERN的大型强子对撞机产生的信息量,这些信息必须由传统计算机处理。


今天,一个单量子比特量子计算机成本就高达10000美元,这还没有考虑研发成本。以这个价格,一台真正有用的通用量子计算机仅硬件成本至少就要100亿美元。对于真正的商业价值远未得到证实的机器而言,早就突破了天价的标准。


为了让量子计算机获得商业上的可行性,单位量子比特的成本必须大幅压缩才行。但具体要怎么实现,没人知道。学者推测,相互叠加设备可能是一条路,但美国国家科学院的一份报告显示,这条路看上去并不乐观,他说:“目前尚不清楚,这些技术是否或何时可以扩展到所需的水平”能够解决商业上的实际问题。


量子霸权将成计算史上里程碑,100亿美元的量子计算机有多远


计算机领域内的人倾向摩尔定律的作用,及每年可以在芯片上安装的晶体管数量增加一倍。但摩尔定律并不是自然法则,我认为没有理由对此保持乐观。给传统计算机领域带来颠覆性变革的是半导体、晶体管和最终的微芯片的出现:换句话说,今天的量子计算机更像是处于最早期ENIAC时代,还在使用电子管和继电器,离晶体管的出现还早呢。


研究人员需要继续前进。他们必须认真、严格地审视正在构建的量子计算机,并努力研究如何让它们变得真正实用。如果我们想让量子计算机帮助解决人类的问题,还需要大幅度的提升和改进才行。“量子霸权”将是计算史上的一个里程碑,但这应该是我们努力的起点,而不是终点。


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