量子計算機最近一直在我的腦海中盤旋。一位喜歡投資科技的朋友，他知道我嘗試學習量子力學，一直在給我傳送文章，內容是關於量子計算機如何幫助解決“我們人類面臨的最大和最複雜的挑戰之一”，正如一位福布斯評論員最近宣稱的那樣。我的朋友問：“你覺得怎麼樣，科學作家先生？量子計算機真的是下一個大熱門嗎？”
我還與兩位量子計算專家進行了交流，他們對這項技術的前景持有不同的看法。一位是計算機科學家斯科特·阿倫森，正如我曾經說過的那樣，他擁有“我見過的最高的智力/自命不凡比率之一”。我不想讓他更尷尬，但我認為阿倫森是量子計算的良心，他幫助保持該領域的誠實。
另一位專家是物理學家特里·魯道夫。他是PBR定理的合著者，“R”代表魯道夫，該定理與其更著名的前身貝爾定理一起，揭示了量子行為的特殊性。2011年，《自然》雜誌將PBR定理描述為“自1964年貝爾定理發表以來，與量子力學基礎相關的最重要的普遍定理”。魯道夫也是Q Is for Quantum的作者，以及量子計算初創公司PsiQuantum的聯合創始人。阿倫森和魯道夫關係友好；他們於2007年合著了一篇論文，魯道夫在阿倫森的部落格上撰寫了關於Q Is for Quantum的文章。在本專欄中，我將總結他們的觀點，並嘗試得出一個連貫的結論。
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首先，一點背景知識。量子計算機利用疊加（一個粒子同時佔據兩種或多種互斥狀態）和糾纏（一種特殊的疊加形式，其中兩個或多個粒子以幽靈般的方式相互影響）來完成普通計算機無法完成的事情。位元是傳統計算機的基本資訊單位，可以處於兩種狀態之一，分別代表 1 或 0。相比之下，量子計算機處理量子位元，量子位元由疊加粒子構成，這些粒子同時體現多種狀態。
幾十年來，量子計算僅僅是一種假設或實驗室的好奇心，因為研究人員努力解決保持疊加和糾纏足夠長的時間以執行有用計算的技術複雜性。（請記住，一旦您觀察電子或貓，其疊加就會消失。）現在，像 IBM、亞馬遜、微軟和谷歌這樣的科技巨頭已經投資了量子計算，許多規模較小的公司也進行了投資，據一項統計，有 193 家公司。3 月，初創公司 IonQ 宣佈了一項 20 億美元的交易，這將使其成為第一家致力於量子計算機的上市公司。
《華爾街日報》報道稱，IonQ 計劃生產一種裝置，其尺寸大約相當於 Xbox 影片遊戲機，預計在 2023 年推出。《華爾街日報》指出，量子計算可以“加速與金融、藥物和材料發現、人工智慧等相關的計算，並破解許多用於保護網際網路的防禦措施”。據商業內幕報道，量子計算機可以幫助我們“治癒癌症，甚至採取措施扭轉氣候變化”。
這就是讓斯科特·阿倫森感到惱火的炒作。他成為一名計算機科學家是因為他相信量子計算的潛力，並希望幫助開發它。他很樂意看到有人制造出一臺機器，證明那些反對者是錯誤的。但他擔心研究人員正在做出他們無法兌現的承諾。上個月，阿倫森在他的部落格 Shtetl-Optimized 上憂心忡忡地寫道，他多年來一直在反駁的炒作，最近變得尤為過分。
阿倫森寫道：“新的情況是，數百萬美元現在可能提供給量子計算研究人員，以及股權、股票期權以及任何其他引起‘咔嚓’聲效和眼睛裡充滿美元符號的東西。在許多情況下，為了有機會獲得如此財富，專家所需要做的就是表達對量子計算將具有革命性的、改變世界的應用的樂觀態度，並且很快實現這些應用。或者至少，當其他人這樣說時，不要過於強烈地反對。” 阿倫森在媒體平臺 Clubhouse 上進行了兩個小時的討論，詳細闡述了他的擔憂。下面我總結了他的幾個觀點。
量子計算愛好者宣稱，這項技術將為機器學習提供超強動力。它將徹底改變化學、神經科學、醫學、經濟學和其他領域中複雜現象的模擬。它將解決旅行商問題和其他傳統計算機難以解決的難題。阿倫森說，量子計算是否能實現這些目標仍然不清楚，他還補充說，樂觀主義者可能會“面臨殘酷的覺醒”。
流行的說法通常暗示，量子計算機由於疊加和糾纏允許它們同時執行多項計算，因此只是傳統計算機的更快版本。阿倫森說，這些說法具有誤導性。與傳統計算機相比，量子計算機是“不自然的”裝置，可能最適合相對狹窄的應用範圍，特別是模擬由量子效應主導的系統。
量子計算機超越最快傳統機器的能力被稱為“量子霸權”，這個詞是物理學家約翰·普雷斯基爾在 2012 年創造的。證明量子霸權極其困難。即使在傳統計算中，證明你的演算法優於我的演算法也不是一件容易的事。您必須選擇一項代表公平測試的任務，並選擇衡量速度和準確性的有效方法。測試結果也容易被誤解和證實偏差。阿倫森說，測試“為惡作劇創造了巨大的空間”。
此外，傳統計算機的硬體和軟體不斷改進。當量子計算機準備好進入市場時，它們可能會失去潛在客戶——例如，如果經典計算機變得足夠強大，可以模擬化學家和材料科學家在“現實生活中真正關心的”量子系統，阿倫森說。儘管量子計算機將“保留其理論優勢，但其實際影響將減小”。
隨著量子計算吸引越來越多的關注和資金，阿倫森說，研究人員可能會誤導投資者、政府機構、記者、公眾，最糟糕的是，他們自己對他們工作的潛力產生誤解。阿倫森警告說，如果研究人員無法兌現他們的承諾，興奮可能會讓位於懷疑、失望和憤怒。該領域可能會失去資金和人才，並陷入像困擾人工智慧那樣的量子計算機“寒冬”。
許多其他技術——基因工程、高溫超導體、奈米技術和聚變能——都經歷過非理性繁榮的階段。但阿倫森認為，量子計算的某些特性使其特別容易受到炒作的影響，也許是因為“‘量子’代表著您不應該能夠理解的酷炫事物”。
這讓我想起了特里·魯道夫。今年一月，在讀到我理解薛定諤方程的掙扎之後，魯道夫給我發電子郵件，建議我閱讀Q Is for Quantum。這本 153 頁的書用一些算術和代數以及大量黑白球進出盒子的圖表解釋了量子力學。Q Is for Quantum比我讀過的任何東西都讓我更深入地瞭解了量子力學和量子計算。
魯道夫首先概述了傳統計算的簡單規則，這些規則允許操縱位元。然後，他轉向量子計算的奇怪規則，這些規則源於疊加和糾纏。他詳細介紹了量子計算如何比傳統計算更容易解決一個特定問題——一個涉及竊賊從金庫中竊取程式碼保護的金條的問題。但他像阿倫森一樣強調，這項技術有侷限性；它“無法計算不可計算的東西”。
在我閱讀完Q Is for Quantum之後，魯道夫耐心地回答了我關於這本書的問題。您可以在這裡找到我們的交流（假設您熟悉這本書）。他還回答了我關於 PsiQuantum 的問題，這是他於 2016 年共同創立的公司，直到最近一直避免公開宣傳。儘管魯道夫對自己在物理學方面的才能持幽默的謙遜態度（這增加了Q Is for Quantum的魅力），但他對 PsiQuantum 卻充滿信心。他與阿倫森一樣擔心炒作以及建立量子霸權的難度，但他表示這些擔憂不適用於 PsiQuantum。
他說，該公司比任何其他公司都更接近“非常大的優勢”，可以構建一臺“有用”的量子計算機，一臺“解決一個有影響的問題，而我們原本無法解決的問題（例如，量子化學中的一些具有實際應用的東西）”。他補充說，“顯然，我帶有偏見，人們自然會低估我的意見。但我花了很多時間定量地比較我們正在做的事情與其他人。”
魯道夫和其他專家認為，具有強大糾錯功能的“有用”量子計算機將需要數百萬個量子位元。魯道夫說，PsiQuantum 使用光構建量子位元，預計到本十年中期，將構建具有完全製造的元件的容錯量子計算機，這些元件能夠擴充套件到一百萬甚至更多量子位元。PsiQuantum 已與半導體制造商 GlobalFoundries 合作以實現其目標。這些機器的尺寸將與房間相當，與超級計算機或資料中心相當。大多數使用者將遠端訪問計算機。
PsiQuantum 真的能像魯道夫聲稱的那樣“大幅領先”所有競爭對手嗎？它真的能在 2025 年之前生產出商業上可行的機器嗎？我不知道。量子力學和量子計算仍然讓我困惑。我當然不會建議我的朋友或任何其他人投資量子計算機。但我信任魯道夫，就像我信任阿倫森一樣。
早在 1994 年，我就為《大眾科學》撰寫了一份關於量子計算機的簡短報告，指出原則上，它們可以“執行超出任何經典裝置範圍的任務”。從那時起，我就一直對量子計算很感興趣。如果這項技術為科學家提供了更強大的工具來模擬複雜現象，尤其是事物核心的量子怪異現象，也許它會給科學帶來急需的跳躍式發展。誰知道呢？我希望 PsiQuantum 能夠幫助量子計算實現其炒作的價值。
這是一篇觀點和分析文章。
延伸閱讀:
有關量子力學的更多思考，請參閱我的新書 Pay Attention: Sex, Death, and Science 以及“Tragedy and Telepathy”，這是我的免費線上書籍 Mind-Body Problems 中的一章。