量子计算的未来

自从我们第一次描述了量子计算2018年，在将这一不断进步的计算领域与当今的问题结合起来方面取得了重大进展。在本文中，我们提供了量子计算关键发展的最新进展，以帮助解决复杂问题。即使取得了这些进步，量子计算仍将继续与经典计算一起工作，以完成大多数工作。

什么是量子计算?

在经典的计算机中，被称为晶体管的电子操作开关被用来表示我们熟悉的0和1，它们代表单个的“位”。从这些基本的成分，计算机科学家已经证明，可以执行各种各样的计算方法来解决新问题。虽然工程师们已经确保晶体管变得越来越小，数量越来越多，扩大了计算机科学家可以解决的问题的范围，但这项技术与20世纪30年代和40年代基于阀或管的前晶体管器件没有太大区别。

在量子计算机中，晶体管被表示量子比特或“量子位”的设备所取代，这些设备能够同时表示0和1。这本身并不是很有用，除非它是能够处理大量量子比特的量子处理器的一部分。在经典计算机中，现代cpu需要数十亿个晶体管来运行现代操作系统和应用程序。在量子计算机中，每一种状态都是同时表示的，只需100个量子比特就能解决高度复杂的计算问题。这样的问题需要一个现代的经典CPU来解决，比宇宙的预期寿命要长得多。

以著名的旅行推销员问题为例——根据问题的大小，在经典计算中，很快就需要大量的比特来表示搜索空间中的所有城市。如果销售人员需要访问更多的城市，就需要更多的比特来表示问题搜索空间。然而，在量子计算中，由于一组纠缠量子比特可以同时表示2 exp (n)状态(其中n表示纠缠量子比特的数量)，可以同时更有效地表示更多的替代解决方案选项，并且比在经典计算机中并行处理要快得多。

在现实生活中，如这张物流公司的图表所示，可以用量子计算问题来代表所有需要运送货物的城市，以确定最佳的驾驶模式以降低燃料成本。

物流公司配送图

为什么是量子计算?

量子计算的前景是，它将帮助我们解决某些类型的问题，这些问题是当今的经典计算机无法在合理的时间内解决的。值得注意的是，量子计算并不是所有类型的计算问题的灵丹妙药，但它适用于大多数“大海捞针”类型的搜索和优化问题。例如，如果你想在一个包含1万亿项的列表中找到一项，每项检查需要1微秒，那么经典计算机需要一周，而量子计算机需要1秒。[1]

量子计算的现实应用包括:

1. 找出销售人员在多个城市销售时的最佳路线，以节省时间和燃料成本。
2. 模拟化学反应，为电动汽车制造更好的电池。
3. 在密码学领域，用于破译或创建安全密码。
4. 发现希格斯事件(粒子物理理论中的一个领域)和宇宙的起源。
5. 使金融公司能够更好地分析数据，以确定欺诈行为或平衡投资组合。

人们对量子计算最初的兴趣也可以归因于这样一个事实，即足够强大的量子计算机可以用来破解某些类型的加密代码(例如，Diffie-Helman和椭圆曲线Diffie-Helman密钥交换)。这可能会影响手机、银行账户、电子邮件地址和加密钱包的安全。因此，组织最终将不得不为量子计算时代修改一些现有的解决方案(类似于千年虫问题)。

在许多用例中，需要采取混合方法，并使用经典计算和量子计算的组合来解决问题。这与使用cpu清理数据和gpu进行AI模型训练操作的人工智能管道非常相似，随后使用cpu、gpu、现场可编程门阵列(fpga)或ASIC解决方案进行模型推断操作。

量子计算面临的挑战

当今量子计算机面临的主要问题之一是，纠缠的量子比特相对于其他量子比特迅速变得退相干。因此，算法需要在量子比特退相干之前快速完成工作。

目前，大多数量子计算机只能保持几十个量子比特的相干性。最近的一项研究表明，宇宙射线可以引入大量的退相干误差，这很难用标准的误差修正技术来纠正。[２]这导致我们无法在量子计算机上表示有意义的现实问题。

此外，底层量子计算硬件也不统一。目前，不同的公司正在寻求不同的方法来构建量子计算机——例如，量子退火器，模拟量子计算机和通用量子计算机。这非常类似于我们在最初的计算时代有多个晶体管的设计。因此，只有某些问题才能有效地映射到特定类型的底层量子计算硬件上。解决退相干问题和设计通用量子计算机的研究正在进行中，我们距离在量子计算机上解决有意义的问题还有大约五年的时间。与此同时，我们预计量子计算机和经典计算机将以混合方式部署，以提供计算效率。

量子计算机是如何部署的

量子计算机需要定制硬件;如今，只有超大规模的公司和少数硬件公司提供量子计算机模拟器，以及尺寸有限的量子计算机作为云服务。量子计算机目前的目标是解决计算密集型和延迟不敏感的问题。此外，今天的量子计算机架构在处理大数据量方面还不够成熟。因此，在许多情况下，量子计算机通常以混合方式与经典计算机一起部署。尽管量子计算机本身在计算过程中不会消耗太多的能量，但它需要专门的低温冰箱来维持低超导温度。

目前的预测显示，当量子位数量增加到一定限度时，将会有固定的冷却成本和很少的增量电力成本。然而，人们将需要许多这样的冷却冰箱来支持提供数百万量子比特的计算机。目前的低温冰箱每单元消耗约24KW，大约1000个量子比特。[3]这个功率预算不包括经典计算机、量子计算机周围的存储和网络硬件的功率。

量子软件和网络堆栈

目前正在为量子计算提出许多软件堆栈，包括虚拟化底层物理量子计算硬件和构建逻辑量子比特的虚拟层。此外，软件堆栈提供了编译器，可以将高级编程语言结构转换为操作逻辑量子位的低级汇编命令。软件堆栈提供商也在开发特定于领域的特定应用程序级模板(例如，优化问题或特定的机器学习问题)，并映射到量子计算编程模型。软件堆栈的目标是在不影响底层量子计算硬件的整体性能或可操作性的情况下隐藏复杂性。

关于原生量子计算网络堆栈，其开发仍处于早期阶段。目前，量子计算数据和结果需要转换成经典网络设备可以理解的形式，然后重新转换回量子计算可理解的格式。目前，人们正在对原生量子计算网络领域进行大量研究，其中量子比特纠缠可以在长距离内实现，然而，这些还没有准备好进行商业部署。

为量子计算的黄金时段做好准备

许多大型计算机公司正在投资数十亿美元建造量子计算机。同样，许多学术机构也在这一领域投入了大量的资金和人力。目前的量子计算机由于其特殊的硬件和冷却要求，需要由专业人员管理。因此，在不久的将来，量子计算功能将主要以云服务的形式提供。

然而，出于隐私和控制的原因，会有客户希望将他们的数据部署在他们自己的私有数据中心或托管设施中的经典计算和存储部分，这些客户希望利用服务提供商的量子计算功能。如下图所示，一个高度互联的托管数据中心平台，如Equinix，允许企业和量子计算服务提供商拥有多个混合部署选项。

混合量子计算机部署

总之，我们正处于混合量子计算机时代的初始阶段，经典计算机将某些类型的处理卸载给数量有限的量子计算机。我们相信，在包含数千个量子比特的非混合原生量子计算机开始解决现实问题之前，这将是未来五年量子计算的常态。

了解更多Equinix的织物软件定义互连。

[1]IBM,“什么是量子计算。”

[２]自然物理，“在大型超导量子比特阵列中解决宇宙射线的灾难性错误爆发，”2021.

[3]石英,“量子计算可以改变世界使用能源的方式，”2019.