德國布倫瑞克聯(lián)邦物理技術(shù)研究所無塵實(shí)驗(yàn)室中展示的量子處理器微芯片

跟核聚變反應(yīng)堆和個性化基因醫(yī)療一樣，量子計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)誕生多年，并有望在發(fā)展成熟之后徹底改變我們的生活。而且參與探索的不只有研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)組織，眾多私營企業(yè)也向其中投入了數(shù)十億美元、希望將技術(shù)原理真正轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

然而，相信大家也都清楚，量子計(jì)算的成熟商業(yè)應(yīng)用尚未成為現(xiàn)實(shí)。還沒有哪家廠商能夠開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品，在除缺乏實(shí)際用途的晦澀研究問題之外真正壓倒經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)。簡而言之，這些廠商目前唯一能做的，就是努力克服種種障礙、讓量子計(jì)算先發(fā)揮出作用（哪怕是不具現(xiàn)實(shí)意義的作用）。目前市面上在售的各類量子計(jì)算機(jī)，服務(wù)的主要就是抱有此類需求的研究實(shí)驗(yàn)室。

但巨大的可能性也就蘊(yùn)藏在這看似徒勞的嘗試當(dāng)中。通過本文，我們將共同了解各頂尖量子計(jì)算廠商如何突破這項(xiàng)革命性技術(shù)的邊界、塑造量子計(jì)算的未來。

量子計(jì)算：技術(shù)綜述

量子疊加的概念是指微觀粒子同時處于多種狀態(tài)，如同一枚快速旋轉(zhuǎn)的硬幣既是正面、又是反面，直到最終落地。

量子計(jì)算按照量子力學(xué)的原理運(yùn)行，而量子力學(xué)則是處理原子與亞原子尺度上各種現(xiàn)象的物理學(xué)分支。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在晶體管上用門的開、閉兩種狀態(tài)代表二進(jìn)制（0或1）從而處理信息不同，量子計(jì)算機(jī)使用的是量子比特或者量子位。由于量子疊加特性的存在，量子比特可以同時表示兩種狀態(tài)。大家可能覺得這難以想象，其實(shí)沒關(guān)系——畢竟沒人真的見過處于疊加狀態(tài)的量子比特。這里說的是純數(shù)學(xué)概念，而數(shù)學(xué)和各種量子比特測量方法告訴我們，操縱這些疊加態(tài)量子比特能夠提供強(qiáng)大的算力，甚至以當(dāng)今頂尖超級計(jì)算機(jī)都難以想象的速度解決某些復(fù)雜問題。

不斷發(fā)展的量子計(jì)算格局

投資的激增，表明人們對于量子計(jì)算徹底顛覆從金融到制藥、再到物流和汽車等各個工業(yè)領(lǐng)域的能力充滿了信心。在2019年至2022年期間，美國政府在量子計(jì)算領(lǐng)域投入29億美元，并計(jì)劃進(jìn)一步增加支出。而在全球范圍內(nèi)，英國、歐盟和中國也在進(jìn)行總額達(dá)數(shù)十億美元的海量投入，反映出各方對于量子計(jì)算潛能的強(qiáng)烈信心。此外，2022年的私營部門投資也超過23.5億美元，商界和市場都對量子計(jì)算的未來應(yīng)用表現(xiàn)出日益濃厚的興趣。

可盡管該領(lǐng)域確實(shí)取得一系列重大進(jìn)展，但除了物理和數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)層面的突破之外，量子計(jì)算的實(shí)用性仍面臨著諸多挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。從事量子領(lǐng)域研究的廠商雖在定期公布進(jìn)展和成果，但相關(guān)算力的具體應(yīng)用似乎還是遙不可及。

具體來講，關(guān)于量子計(jì)算的種種夸張能力，例如徹底終結(jié)傳統(tǒng)密碼學(xué)、瞬間開發(fā)出藥物分子的神奇魔力以及逆轉(zhuǎn)氣候變化等，距離真正實(shí)現(xiàn)仍遙遙無期。因此，想要努力證明量子投資合理性的私營企業(yè)必須在該技術(shù)的當(dāng)前應(yīng)用與未來前景之間尋求微妙的平衡。

量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠商

盡管量子計(jì)算領(lǐng)域不乏創(chuàng)新型初創(chuàng)公司，但真正扮演先驅(qū)角色的仍然是那些老牌行業(yè)巨頭。下面來看十家正推動這項(xiàng)前沿技術(shù)不斷發(fā)展的頂尖量子計(jì)算廠商：

1. IBM

作為當(dāng)前量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，IBM去年推出了其Quantum System Two，即量子系統(tǒng)二號。這是一臺模塊化量子計(jì)算機(jī)，由IBM開發(fā)的Heron芯片提供支持。此芯片改進(jìn)了“糾錯”、即抗退相干能力，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致量子系統(tǒng)中的量子態(tài)發(fā)生丟失。最近，IBM又公布了Condor，一款基于該公司交叉諧振門技術(shù)的1121超導(dǎo)量子比特處理器。IBM還計(jì)劃到2033年打造出擁有10萬量子比特的計(jì)算系統(tǒng)。

2. Google Quantum AI

Google Quantum AI曾在2019年宣布，其量子計(jì)算機(jī)Sycamore成功實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，即號稱對隨機(jī)量子電路輸出的采樣速度已經(jīng)超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)。（但I(xiàn)BM很快反駁稱，自家超級計(jì)算機(jī)能夠更快完成這項(xiàng)任務(wù)。）谷歌的目標(biāo)是在十年之內(nèi)建立起擁有100萬量子比特的計(jì)算系統(tǒng)。與此同時，Google Quantum AI的Cirq開源框架則致力于為這些即將出現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)開發(fā)新穎的量子算法。

3. 亞馬遜

2019年，亞馬遜云科技在加州理工學(xué)院建立起量子計(jì)算中心——這里也正是理查德·費(fèi)曼先生于20世紀(jì)80年代初首次提出量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想的地方。Amazon Braket是一項(xiàng)全托管量子計(jì)算服務(wù)，能夠訪問來自多家供應(yīng)商的量子硬件，包括IonQ、Rigetti、Oxford Quatnum Circuits、QuEra以及自家Amazon Braket Quantum Simulator。這樣用戶就能體驗(yàn)不同硬件架構(gòu)，并從中找出最適合自身需求的特定選項(xiàng)。最近，亞馬遜云科技又推出一款內(nèi)部研發(fā)的定制化芯片，使用被動糾錯方法將錯誤抑制效果提升上百倍。

4. 微軟

微軟Azure為量子計(jì)算建立起一套全面的工具與資源，并且正積極開發(fā)可擴(kuò)展且具備容錯能力的量子計(jì)算機(jī)。Azure Quantum平臺提供對量子硬件、模擬器和開發(fā)工具的訪問，允許用戶試驗(yàn)量子算法并探索量子計(jì)算的潛力。

5. 英特爾

英特爾一直致力于打造全棧商用量子計(jì)算系統(tǒng)。該公司最近發(fā)布了一款名為Tunnel Falls的12量子比特硅芯片，旨在推進(jìn)硅自旋量子比特的研究。芯片巨頭還計(jì)劃通過英特爾量子軟件開發(fā)套件，將Tunnel Falls芯片集成至完整的量子技術(shù)棧當(dāng)中。英特爾亦有計(jì)劃在2024年發(fā)布下一代量子芯片，并宣布與芝加哥大學(xué)和東京大學(xué)合作，共同推進(jìn)容錯量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)。

6. D-Wave

作為量子計(jì)算系統(tǒng)、軟件與服務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，D-Wave公司采用所謂量子退火過程，且系統(tǒng)方案已經(jīng)得到全球多家前沿企業(yè)的采用，包括谷歌、NASA艾姆斯研究中心以及大眾汽車。不同于領(lǐng)域內(nèi)大多數(shù)其他廠商所追求的基于門的量子計(jì)算思路，量子退火在解決高復(fù)雜度、大規(guī)模優(yōu)化問題方面顯示出了光明的前景。D-Wave公司則專注于這類優(yōu)化問題以提供商業(yè)價值。

7. Quantinuum

作為由劍橋量子計(jì)算公司和霍尼韋爾量子解決方案公司合并而來的新企業(yè)，Quantinuum的H系列俘獲離子量子計(jì)算機(jī)能夠支持全對全量子比特連接，即允許在所有量子比特之間建立糾纏態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的高保真度。Quantinuum還為俘獲量子及其他量子計(jì)算平臺開發(fā)出多種中間件和軟件產(chǎn)品，適用于量子化學(xué)、量子機(jī)器學(xué)習(xí)和量子人工智能等場景。

8. Rigetti

Rigetti Computing利用超導(dǎo)量子比特技術(shù)構(gòu)建和部署集成化量子計(jì)算系統(tǒng)。該公司還提供Forest云平臺，供程序員在其上編寫量子算法。

9. Xanadu

Xanadu是一家全棧光量子計(jì)算公司，致力于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)并提供量子云服務(wù)。該公司的系統(tǒng)基于光子學(xué)技術(shù)，旨在開發(fā)具備實(shí)用意義的量子應(yīng)用方案。

10. Atos Quantum

Atos Quantum是數(shù)字化轉(zhuǎn)型領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。其量子學(xué)習(xí)機(jī)（QLM）是一套強(qiáng)大的專用硬件基礎(chǔ)設(shè)施，可供研究人員、工程師和學(xué)生開發(fā)及實(shí)驗(yàn)各類量子軟件。

其他重要廠商還包括IonQ、Infleqtion、QC Ware以及Zapata Computers等。這些量子計(jì)算公司同樣在各自領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，共同塑造著量子計(jì)算的未來形態(tài)。

企業(yè)為何要對量子計(jì)算服務(wù)保持關(guān)注？

專家們的共識是，量子計(jì)算如同重力一般避無可避。問題不在于“要不要”，而在于“誰”在“何時”能拿出具有實(shí)用意義的量子計(jì)算方案，并以此解決涉及大量變量和潛在結(jié)果的復(fù)雜問題，進(jìn)而顛覆各行各業(yè)。量子計(jì)算預(yù)計(jì)將徹底重塑幾乎所有行業(yè)的面貌，包括醫(yī)療保健、金融、網(wǎng)絡(luò)安全、物流和AI等等。

量子計(jì)算用例：一切皆有可能

目前，量子計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用仍局限于研究領(lǐng)域。但正在探索的其他已知用例還包括：

量子仿真：量子計(jì)算機(jī)能夠模擬復(fù)雜量子系統(tǒng)的行為，在化學(xué)、材料科學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)和預(yù)測等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

量子優(yōu)化：相較于傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)能夠更高效地解決優(yōu)化問題，因此在物流、金融和供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

量子機(jī)器學(xué)習(xí)：量子計(jì)算機(jī)能夠改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并支撐起新的AI模型開發(fā)方式。

量子密碼學(xué)：量子計(jì)算機(jī)可以開發(fā)出新的密碼協(xié)議，借此增強(qiáng)通信與數(shù)據(jù)安全性。

總結(jié)

量子計(jì)算目前仍處于起步階段，許多相關(guān)難題依舊沒有答案。然而，該領(lǐng)域自身的快速進(jìn)步以及流入領(lǐng)域內(nèi)的大量投資證明，這項(xiàng)技術(shù)具備徹底顛覆各個領(lǐng)域的巨大潛力。

盡管未來的發(fā)展道路還很長，但迄今為止所取得的進(jìn)展表明，量子計(jì)算有著光明的發(fā)展前景和解決世界上一系列最復(fù)雜挑戰(zhàn)的潛在可能性。