似乎每个量子计算的支持者都有一个批评者。批评者经常将量子计算称为“科学项目”、“炒作”、甚至是“失败的事业”。如果你回顾一下技术行业的历史，就会发现它充斥着由于各种技术或商业原因而失败的技术。因此，有理由持怀疑态度。然而，由于使该技术成为可能，因此有许多技术继续绘制了未来的创新方向。有些人甚至有类似程度的怀疑，甚至更多，怀疑和“科学项目”——人工智能（AI）等技术。人工智能是一个早在第一个硅晶体管开发之前就已经理论化的概念，但直到过去十年，它才通过硅技术、处理架构和深度学习技术的进步成为现实。同样，量子计算技术现在已经成为现实，并且即将在未来十年内取得突破。

　　量子计算并不容易

　　即使描述量子计算的概念也不容易。经典计算机使用比特来表示一个（开启状态）或零（关闭状态），而量子计算机使用量子比特，这些量子比特可以通过叠加来表示多个状态，并通过纠缠与其他量子比特链接。结果是计算机在计算容量方面呈指数级扩展。虽然这使得量子计算机非常适合大型数学模型，但它们不适合处理与计算相关的简单开销任务。因此，量子计算更适合定位为一种新的加速器技术，类似于图形处理单元 （GPU）、数字信号处理器 （DSP） 或现场可编程门阵列 （FPGA），但在计算性能方面规模要大得多。然而，由于量子计算所基于的独特计算架构，量子计算机需要专门的控制逻辑和内存。还需要大型制冷装置，因为它们在接近绝对零度的温度下运行，这意味着零开尔文或 -273.15 摄氏度。

　　量子计算还面临两大挑战——准确性和可扩展性。错误是通过量子比特的稳定性（或缺乏稳定性）和其他量子比特的潜在干扰引入的。在叠加状态下保持量子比特的稳定性或寿命具有挑战性，可能被限制在几毫秒或几微秒内。此外，量子比特可能会干扰相邻的量子比特。因此，正在开发错误抑制、纠正和缓解技术，以单独或协同工作，以提高计算精度。错误抑制基于系统和电路的知识进行前端处理，以抵消潜在的错误，例如对控制量子比特的脉冲进行更改。错误缓解功能可基于噪声模型纠正后处理中的错误。另一方面，纠错需要许多额外的量子比特，以在执行过程中纠正错误。虽然纠错可能是消除错误的最有效方法，但它需要付出巨大的代价。然而，通过错误抑制和缓解，量子计算仍然允许即使在最大的经典超级计算机上也无法轻松完成的处理水平。

　　扩展量子计算机也是一个重大挑战。虽然有几种不同的量子解决方案，但许多解决方案不使用标准的CMOS制造工艺，这意味着它们无法与其他高端处理器或加速器使用的先进半导体工艺相媲美。此外，整个系统需要随着量子比特的数量而扩展，这意味着将每个量子比特连接到控制逻辑以及相关冷却元件的电线更多。如果你看看目前的量子计算机，当它们不在冰箱里时，它们看起来更像是一堆管子和电线，而不是硅基系统。扩展这些系统并非易事。

　　量子计算的快速发展

　　如果量子计算如此充满挑战，那么自然的问题是，为什么我认为我们正处于量子计算取得重大进展的风口浪尖？原因之一是对量子计算的投资水平。拥有一台性能优于许多超级计算机的计算机的好处非常有价值，以至于科学界、技术行业、政府和企业正在投资数十亿美元用于量子计算的开发和使用。这包括阿里巴巴、亚马逊、IBM、英特尔、谷歌、霍尼韦尔、Microsoft、英伟达和东芝等众多公司的行业领导者。同样，美国政府也有一项国家量子计划，旨在“为美国的经济和国家安全加速量子研究和开发”。这项投资的一个关键例子是走过位于纽约波基普西的IBM量子数据中心，今年早些时候我有机会参观了该数据中心。

　　另一个原因是量子计算的持续进步是量子芯片、控制逻辑、系统和软件的改进。 这些进步对于减少错误、抑制和纠正错误的开发工具尤其如此。 例如，IBM 在 2022 年推出的 433 量子位 Osprey 处理器在量子扩展方面处于领先地位，并计划在今年晚些时候推出 1,121 量子位 Condor 处理器。 如果考虑 IBM 的量子处理器路线图，量子位的数量每年将增加大约 2-3 倍。 IBM 还将量子计算机联网，以进一步提高量子位容量。 IBM 表示，其目标是到 2033 年拥有 100,000 个量子比特系统。业界和学术界已经在研究当前量子计算机的实际应用。 随着本世纪后半叶量子位容量的增加，这种发展将会加速。

　　最后一个原因，也是我认为对量子计算下一步至关重要的原因，是人工智能（AI）。到目前为止，重点是将经典计算机与量子计算机集成。然而，人工智能具有提高量子计算机的能力和性能的潜力，并且正在被量子计算机改进，但该领域的工作才刚刚开始。

　　量子时间线

　　量子计算何时以及如何应用于实际应用？ 由于数以千计的大学、研究组织和企业已经在学习和试验量子计算，现在的答案是针对一些有限的应用。 正如科学杂志《自然》上发表的那样，IBM 与美国伯克利大学合作，展示了仅 127 个量子位的量子计算机在材料建模方面超越经典计算机的能力。 然而，IBM 相信 10 万量子位容量水平将推动行业出现拐点。 随着量子系统联网，这一阈值正在迅速逼近。

　　量子计算产业将如何形成更容易预测。 由于对支持系统和支持系统的基础设施的高投资，量子计算很可能成为领先的超大规模企业和/或技术提供商为绝大多数市场提供的云服务——至少在可预见的未来。 将会有一些大学和企业安装，但这些设施可能很少而且相距甚远。

　　量子时代

　　鉴于量子计算投资、进步和活动的数量，该行业将迎来类似于人工智能带来的动态变化——提高性能、功能和智能。这也带来了人工智能带来的相同挑战，例如安全性，正如最近的量子安全密码学文章中概述的那样。但就像人工智能一样，量子计算即将到来。你可能会说，量子计算是人工智能在2015年所处的位置，令人着迷，但并未得到广泛利用。短短五年时间，人工智能就被集成到几乎所有平台和应用程序中。在短短五年内，量子计算可以将计算和人类的知识和理解提升到一个新的水平。

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