量子计算机商业化全面加速，IBM欲与谷歌争夺“量子霸权”丨科技云·视角

一直以来，量子计算的权杖都牢牢握在谷歌手中。在此之前，谷歌已制造出9量子比特的机器，并计划今年增加至49量子比特。这是一个极为关键的门槛，学者预计，在50量子比特左右，量子计算机就能达到“量子霸权”（quantum supremacy）。这是加州理工学院物理学家John Preskill发明的名词，用来指示“量子计算机在一些领域有传统计算机所不具有的能力”，比如在化学和材料学里模拟分子结构，还有处理密码学、机器学习的一些问题。现在，IBM率先达成了这项成就。

在近日美国电气和电子工程师协会（IEEE）的工业峰会上，IBM正式宣布已成功研发20位量子比特的量子计算机，可在年底向付费客户开放。

值得一提的是，IBM还成功开发出了一台50位量子比特的原型机，可为今后IBM Q系统奠定基础。拥有50量子比特的计算机，在计算机科学史上绝对可以成为一个重要的里程碑。该领域的研究人员将这一里程碑称之为“量子霸权”，它可以实施常见超级计算机所不能完成的任务。在有关量子计算技术商用的竞争中，IBM正在不断向谷歌施压。

在中国，阿里云与中科院在“云栖大会”上宣布合作发布量子计算云平台，中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟表示，希望到明年，能实现50个量子比特的操作；未来十年能实现数百个量子比特的操作，在特定领域的计算能力达到目前全世界计算能力的100万倍。

中国科学院院士、量子计算专家、图灵奖获得者姚期智则认为，如果能够把量子计算机和人工智能放在一起，人类可能做出超过大自然能力的事情。

量子计算

媲美人工智能的另一个科技热点

今年，“量子计算”在整个前沿技术领域都十分抢眼，这个过去仅在学术圈讨论的话题，开始频频进入企业圈。然而，这并不偶然，自动汽车、自动驾驶、脑机交互、自然语言处理乃至线上广告、搜索引擎、推荐系统等都是机器学习的热门领域，从这一点看，量子计算实际上决定了包括特斯拉、Google、微软、Amazon、Facebook等科技公司在未来的发展方向和趋势。

可以预见的是，量子计算的黄金时代正在到来，量子计算将利用量子力学，为电脑运算带来指数级得巨幅加速。科技巨头英特尔、微软、IBM、谷歌都在向量子计算投入千万美元的研发资金。但他们在对不同的量子计算技术下赌注，因为没有人知道，采用哪种量子比特（qubit）能造出有实用价值的量子计算机。

相比传统计算机比特，量子计算机比特由于两个独特的现象：叠加（superposition）和纠缠（entanglement），变得十分强大。

量子叠加使量子比特能够同时具有0和1的数值，可进行“同步计算”（simultaneous computation），而传统计算机只是采取“顺序计算”的方式。

量子纠缠使分处两地的两个量子比特能共享量子态，创造出超叠加效应：每增加一个量子比特，运算性能就可以提升一倍。

没有人会认为量子计算机可以颠覆文字处理和E-mail，但对于需要同时探索无数条路径的算法，还有对海量数据库的搜索，量子计算将极大地提高运算处理速度。它可以被用来寻找新的化学催化剂，对加密数据的海量数字作因子分解（factoring），或许还能模拟黑洞和其他物理现象。

虽然量子计算机的明天看似美好，但目前还有许多挑战。最大的问题在于这些计算机的精度相比传统计算机实在是低太多了。一些微小的扰动，都可能带来极大的破坏。

不久前，在IBM在和ionQ公司的一次量子计算机大比拼中，两家开发的计算机分别只有35%和77%的运算正确率。就在三年前，专家们还在争论量子计算机是否还能建成，现在的共识是：这只是时间问题，而又不仅仅是时间问题。对于连贯的、有能力的系统来说，主要的障碍已经解决了。

障碍依旧存在

但量子计算商业化步伐已经开启

现在，量子计算应用最深入、最具现实性的领域毫无疑问地是在通信方面。早在1970年，斯蒂芬·威斯纳就提出了“量子钱”（quantum money）的概念，最早利用量子的测不准性来进行加密。

量子通信可以最大限度地保证用户的隐私和信息安全，也正因为这样，量子通信在国家信息安全层面有着越来越迫切的现实需求，从根本上来说，这也是包括中国、美国及欧洲纷纷跟进的原因。

由于算法的问题，目前量子计算机适合解决复杂的优化问题，并不能实现传统计算机的其他功能。同时，由于量子计算芯片工作环境要接近绝对零度，目前成本很高也难以小型化。所以，量子计算机走进千家万户还非常遥远，但是替代超级计算机解决一些复杂问题有望在10年内实现。

量子计算未来主要会应用在复杂的大规模数据处理与计算难题，以及基于量子加密的网络安全服务，例如：环境监测领域的气象预报，医学领域的基因测序与药物研发，金融领域的投资大数据分析、预测与风险建模、网络安全与即时通讯领域的量子加密，以及为人工智能提供强大的计算能力等。

在机器学习与人工智能领域，量子计算机也可以从经验中学习，进行自我纠错。这一概念被称为量子计算机的机器学习，与Facebook新闻流根据用户的“点赞”而进行个性化的推送相类似，只是更为复杂。具体应用场景包括人脸识别、图像理解、音频语音理解、用户画像、机器人和自动驾驶车的图像识别及决策等。数据越多运算量越大，其节省的时间就越多。

在信息安全领域，传统加密系统容易受到量子计算机威胁，但是通过量子力学特性的加密技术将变得更加安全。这种超级安全通信被称为“量子密钥分配”，它允许某人发送信息给其他人，而只有使用量子密钥解密后才能阅读信息。

如果被第三方拦截，鉴于量子力学的原理，信息会变得毫无用处，也没人能够再读取它。后量子密码学致力于创建出即使是未来的量子计算机也无法破解的密码。

PQCRYPTO是一个受欧盟资助为期三年的项目，专注于开发后量子加密。2016年，该项目的一些研究成果已经被Google用在了Chrome浏览器运行的后量子加密测试中。而在斯诺登事件后，美国国家安全局于2015年表示将更新其所有的加密技术，使它们无法被量子计算机破解。

许多证据表明，量子计算机比经典计算机更适合进行某些需要挑选出最优化解决方案的任务，而大量的商业活动都依赖于最优化方案。

例如，在开始制造汽车、飞机部件前，我们可以运用计算机模型优化汽车和飞机的设计方案。Google在量子计算机D-Wave 2X上优化一个含有大量变量的函数，比在经典计算机上快一亿倍，我们可以自定义什么样的问题需要找出最优化解决方案，比如：产品收入最大化、点击转化率最大化、用户满意度最大化、成本耗时最小化等。某些人工智能问题也可以转化为优化问题，例如，构建预测模型，使其对未来数据的预测误差最小。

量子计算就像是新的“引擎”，代表了新的商业形态和社会形态。蒸汽机的到来引发了第一次工业革命，燃气机引发了第二次工业革命，计算机的诞生引发了第三次工业革命，那么量子计算与人工智能的到来，很可能会推动第四次工业革命的很多构想正在实现。量子计算机一旦投入使用，许多行业将会受到颠覆性影响。

量子计算是属于未来的技术，当下我们正处于黎明时期，它是那么新奇古怪，甚至世界顶级量子物理学家和计算机工程师都不清楚，商业化运营的量子计算机会是个什么样儿。即便有巨额投资，量子计算在很长时间内，也只会是各家公司实验室里的商业秘密。而量子计算和云的结合，又可以带来巨大的前景，研究人员和科学界可借此加快量子领域的创新速度，也有利于发现量子云计算的新应用领域。所有这些应用都令人激动不已，但要实现这些目标，我们依然有很长的路要走。

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