推銷員湯姆即將上路， 為期一個月的旅程， 拜訪客戶和銷售前景， 他將前往美國50個地方。
湯姆需要用三個優先順序來優化這次旅行。 首先， 他必須最大化每個客戶的時間;其次， 他必須在盡可能以最短的距離完成這次旅行;最後， 他必須盡可能的降低做這件事的成本。
這一經典的“旅行推銷員問題”， 已經延續了幾十年， 目前量子電腦可以在幾秒鐘內將它解決。
路徑優化是量子電腦的一個亮點， 但它也在類比化學化合物， 發現DNA序列中的模式， 優化金融組合和預測天氣。 量子電腦的使用也會比傳統的自動駕駛汽車更安全有效，
簡而言之， 問題越複雜， 涉及的變數越多， 量子計算的效果就越好。 這也是該領域在35多年的時間裡讓科學家們一直在追求這個領域的原因。
而今越來越多的證據表明， 量子計算正接近現實。 投資資本正在流入市場， 一些量子電腦開發商正討論最快在明年展示超級電腦級系統的原型。
量子創業公司IonQ表示， 上個月公司已經完成了2200萬美元的融資， 目標是在12個月內製造出通用的量子處理器。 這是該領域的創業公司在今年第二次獲得的大筆資金。 今年3月， Rigetti電腦公司表示已經籌集了6400萬美元， 預計明年將展出一台機器， 在某些任務中它將超越世界上最大的超級電腦。
就在三年前， 專家們還在爭論量子電腦是否還能建成， 現在的共識是：這只是時間問題， 而又不僅僅是時間問題。 “對於連貫的、有能力的系統來說， 主要的障礙已經解決了。 ”Rigetti工程主管Andrew Bestwick說， “現在面臨的主要挑戰是如何利用小型系統上的演示， 並以高度可伸縮的形式實現它。 ”
這也可能打開一個利潤豐厚的新市場。 目前它的規模很小， 但增長速度很快。
絕佳的時機
摩爾定律已經推動了電腦行業50多年的發展， 但它似乎終於失去了動力， 量子電腦可以開啟一個計算能力發展的新時代。
這是我們迫切需要的。 物聯網有望使網路變得更加複雜， 這樣一來我們就需要全新的網路管理方法， 這是一項非常適合量子技術的任務。 此外， 物聯網資料的爆炸性增長， 需要新的分析方法來進行分析這一切。 而那些正在尋找新的效率和收入來尋求數位化轉型的組織將會發現， 量子科技打開了巨大的新機遇。
這是否就意味著是時候在這些英特爾伺服器上掛一個“出售”的標誌了呢?還沒有。
但現在開始思考量子技術可以解決的問題還為時過早， 諸如優化交通路線、繪製分子交互、優化股票市場組合和預測天氣等指數複雜度的任務。 這就需要理解量子計算的中位和量子位的不同之處。
比特和量子位
量子力學的原理還是會讓一般人很困惑， 以因此專家們傾向于用傳統的計算方法來描述計算技術。
主流的數位電腦是基於二進位算術的， 其中數位被表示為1和0的組合。 使用這些二進位數字字或二進位數字字進行計算的速度非常慢， 但它有一個優勢， 無論在on或off狀態下都可以很好地使用電晶體。 當你在一個問題上拋出足夠多的電晶體時， 它們便可以以目眩的速度完成二進位運算。 這就是二進位數字字電腦的工作原理。
傳統電腦技術擅長於快速地對大量資料進行簡單的計算， 但他們無法很好地適應多個相互依賴的變數的問題， 比如旅行推銷員問題。 這也給量子電腦帶來用武之地。
量子位是量子的位元， 但它們要複雜得多。一個比特是0或1，而量子位可以是0、1或其他。其他的東西可以是1/2、9/16、123/128，或者多維軸上的其他點。如果有一點是一條水平線，那麼一個量子位是一個包含x、y、z軸的球體，以及在球體中任何位置表示資料的能力。這個概念通常被表示為一個膨脹的球體(如圖)。這種“超級定位”特性使得量子位可以代表複雜的問題集，而二進位電腦無法做到這一點。量子電腦的另一個重要區別是被稱為“糾纏”的東西，或者是量子位相互關聯的能力，因此每個人都能意識到所有其他事物的狀態。
這就意味著，量子電腦隨著量子位元的增加而呈指數級增長。因此，從理論上講，一個200量子位元系統的功率是100量子位元系統的2的200次平方倍。相比之下，傳統的數位電腦是線性增長的。專家們普遍認為，30量子位或更小的量子電腦仍然可以被傳統的數位電腦所超越，但當密度超過30個量子位元時，情況就會發生變化。
你需要一個相當大的IBM Power系統來類比一個30量子位元的設備，當到達40或45量子位元的時候，你需要世界上最大的超級電腦。”IBM的量子計算技術策略和轉型的副總裁兼首席技術官Scott Crowder說。
極其複雜的挑戰
但量子比特也帶來了一些重大挑戰，其中最重要的是可靠性。電腦總是會犯錯，原因包括硬體故障、環境因素以及功率的變化。這些錯誤很容易在數位電腦中使用校驗和等簡單的驗證技術進行糾正。
量子位要複雜得多，因此也比位元更脆弱在一些量子模型中，量子位元容易快速變換狀態，導致經常出現錯誤。多年來，如何解決這個所謂的“一致性”問題一直困擾著開發人員。“如果你有一秒鐘的計算，你的一致性在100微秒之內就消失了，那麼你就不會有量子計算的力量了，”愛奧克公司的首席執行官說。“那麼結果也會是錯誤的。”使問題更加複雜的是量子位的相互依賴，這使得測量和隔離錯誤更加困難。事實上，測量一個量子位的過程會導致它進入一個錯誤狀態，IBM的克勞德表示。
IBM在2015年下半年宣佈了解決量子比特錯誤修正和可擴展性問題的重大突破。它已經成功地使用了量子位元來解決彼此的錯誤，但解決方案並不完美，因為需要1000個或更多的量子位元來監視單個的錯誤。這個問題不僅抑制了性能問題，而且限制了可伸縮性。
開發商們正在解決的另一個問題是對熱量的控制。大多數基於格的方法都需要超級冷卻，這就限制了資料中心的環境。例如，D-Wave公司的700立方英尺處理引擎(左圖)是一種低溫製冷設備，它將量子處理器冷卻到溫度低於星際空間180倍的溫度。IBM和Rigetti公司也在追求超導體系統，這些系統需要極低的溫度。
IonQ公司有一種不同的方法被稱為“捕獲離子”，它使用鐳射冷卻和分離單個離子。這使得量子位更容易控制，從而也更可預測。該公司預計，trapped-ion技術將使其電腦在室溫下運行，儘管尚未製造出原型機。
一個誤解
關於量子電腦的一個常見誤解是，它們將取代數位電腦。事實上，這兩種架構是適合不同類型的問題。對於涉及基本演算法的大多數常見資料處理任務，數位電腦在未來的許多年裡將會一直是好的解決方案。
量子電腦更適合於複雜性增加作為變數數量的指數的問題。IonQ公司的Moehring將化肥生產作為一個量子電腦將解決傳統電腦無法解決的問題。量子電腦給出的答案是世界上大約2%的能源都用於化肥生產，這是一個昂貴的過程，自然處理得更加巧妙。瞭解如何複製自然過程需要分子建模，這是一個隨潛在的相互作用而呈指數增長的問題。“即使是一個尺寸適中的分子，世界上最強大的經典電腦也無法類比它的相互作用，”他說，“而且他們永遠不會，因為傳統的電腦無法達到足夠的規模。”
另一種誤解是量子電腦只有一種。事實上，有好幾種，大多數商業活動都集中在三種架構上。
量子門模型是由Rigetti、IonQ和IBM(如圖)以不同的方式進行的。它具有足夠的靈活性，可以通過程式設計適應各種不同的使用場景。誤差校正是量子門模型最大的缺點之一。IonQ正在用被捕獲的離子技術解決這個問題，而Rigetti和IBM正在追求超導量子位。
D-Wave使用的量子退火模型具有穩定性優勢，但被認為比量子門模型更靈活。
由微軟公司提出的拓撲量子模型被認為是這三者中技術含量最高的。它將靈活性與低錯誤率結合在一起，但在這一點上，它的缺點只是理論上存在：從來沒有人沒有人構建過。
市場是如此之新，以至於幾乎沒有達成共識，哪一種方法是最好的，參與者仍在激烈地討論“純”量子計算的定義和優點。目前正在運輸商業量子處理器D-Wave的公司已經採用了量子化的方法，這一模式引發了相當大的爭議。
“D-Wave的弱點在於，你需要把問題映射到一個固定的功能上，”IBM的Crowder這樣表示。“我不清楚它是否會比傳統的電腦更有優勢，但只要它們展示了商業價值，其他的就不重要了。”
Rigetti公司的Bestwick同意。他說:“這就像一個特殊用途的ASIC(特定于應用程式的積體電路)，只能做一件事和一件事。”
D-Wave的Brownell駁斥了這樣的批評，因為競爭對手為了轉移人們的注意力而忽略了他們沒有產品的事實。他說，D-Wave的方法和其他方案一樣，都具有可擴展性和靈活性。D-Wave指出其140項美國專利和90多篇同行評審的論文作為證據。他說：“其他人正試圖做一個更數學或理論上更純粹的量子計算，但他們還需要數年時間才能解決其中的一些簡單的問題。”“我們是唯一擁有真正客戶的人。”
作為D-Wave方法可行性的證據，他提到了該公司所取得的持續的可擴展性。2011年推出的第一台機器包含128個量子位。新的2000Q量子位為2000，增加了15倍。他引用穀歌2015年的發現，在蒙特卡洛模擬中，一台D-Wave機器比單核電腦快1億倍，他說:“我們今天所裝運的機器比我們第一次裝運的機器要強大數十萬倍。”
未來五年
在未來的三到五年內，量子計算不太可能應用在核心科學之外的應用中。但到那時，50位量子門處理器應該開始進入市場。IBM表示，未來幾年內將會開發出商用硬體。“並不會用很長時間，”他說。“我們正處在風口浪尖上。”
IonQ的Moehring認為，他的公司將在2022年建成的系統“不太可能解決非常大的分子動力學或優化問題，但他們將創造出我們需要發現這些應用的路線圖。”Rigetti的Bestwick說，他的公司的第一個商業系統很可能是混合動力車，“使用經典電腦應用於經典電腦的部分應用，並使用量子計算來解決無法解決的部分。”
在資訊技術領域，目前專注於將所有可能的硬體功能抽象到軟體上，量子電腦行業仍然牢牢地紮根於金屬硬體中。沒有標準，沒有對等的處理器平臺，也沒有參考架構。每個供應商都在推出自己的解決方案和與之配套的軟體。這是否意味著一家公司將會像上世紀80年代的IBM那樣來主宰量子計算領域?但是IBM的首席代表並不這麼認為。
他表示：“IBM這樣的公司提供完整的服務，但我們也需要協力廠商，他們對企業客戶的領域有非常直觀的瞭解。”“我們為系統的發展做出了很多努力。”
Crowder說，系統軟體級別的程式設計將需要專業技能，但他預計應用程式開發人員將能夠比較容易地轉換到量子。他說：“你不需要成為量子專家來為量子電腦編寫代碼。”“你可以從GitHub上下載Python筆記來完成這一任務。”
在這些平臺問題得到解決之前，應用程式將主要靠手工編寫。風險投資公司新企業協會的負責人安德魯?舍恩表示，現在就把賭注押在打包軟體上還為時過早。“這就像在仙童半導體成立之前投資亞馬遜，”他說。
但作為IonQ的主要投資者，NEA正在把錢放進自己嘴裡。“風險資本的作用是投資于那些有機會大幅改善未來的人和公司，”他說。“量子計算完全符合在這個框架當中。”
如果目前的趨勢繼續下去，它也將越來越符合主流企業的處理框架。在量子力學模型首次發表後的37年，推銷員湯姆可能很快就可以開始他的終極之旅了。
但它們要複雜得多。一個比特是0或1，而量子位可以是0、1或其他。其他的東西可以是1/2、9/16、123/128，或者多維軸上的其他點。如果有一點是一條水平線，那麼一個量子位是一個包含x、y、z軸的球體，以及在球體中任何位置表示資料的能力。這個概念通常被表示為一個膨脹的球體(如圖)。這種“超級定位”特性使得量子位可以代表複雜的問題集，而二進位電腦無法做到這一點。量子電腦的另一個重要區別是被稱為“糾纏”的東西，或者是量子位相互關聯的能力，因此每個人都能意識到所有其他事物的狀態。這就意味著，量子電腦隨著量子位元的增加而呈指數級增長。因此，從理論上講，一個200量子位元系統的功率是100量子位元系統的2的200次平方倍。相比之下，傳統的數位電腦是線性增長的。專家們普遍認為，30量子位或更小的量子電腦仍然可以被傳統的數位電腦所超越，但當密度超過30個量子位元時，情況就會發生變化。
你需要一個相當大的IBM Power系統來類比一個30量子位元的設備，當到達40或45量子位元的時候，你需要世界上最大的超級電腦。”IBM的量子計算技術策略和轉型的副總裁兼首席技術官Scott Crowder說。
極其複雜的挑戰
但量子比特也帶來了一些重大挑戰，其中最重要的是可靠性。電腦總是會犯錯，原因包括硬體故障、環境因素以及功率的變化。這些錯誤很容易在數位電腦中使用校驗和等簡單的驗證技術進行糾正。
量子位要複雜得多，因此也比位元更脆弱在一些量子模型中，量子位元容易快速變換狀態，導致經常出現錯誤。多年來，如何解決這個所謂的“一致性”問題一直困擾著開發人員。“如果你有一秒鐘的計算，你的一致性在100微秒之內就消失了，那麼你就不會有量子計算的力量了，”愛奧克公司的首席執行官說。“那麼結果也會是錯誤的。”使問題更加複雜的是量子位的相互依賴，這使得測量和隔離錯誤更加困難。事實上，測量一個量子位的過程會導致它進入一個錯誤狀態，IBM的克勞德表示。
IBM在2015年下半年宣佈了解決量子比特錯誤修正和可擴展性問題的重大突破。它已經成功地使用了量子位元來解決彼此的錯誤，但解決方案並不完美，因為需要1000個或更多的量子位元來監視單個的錯誤。這個問題不僅抑制了性能問題，而且限制了可伸縮性。
開發商們正在解決的另一個問題是對熱量的控制。大多數基於格的方法都需要超級冷卻，這就限制了資料中心的環境。例如，D-Wave公司的700立方英尺處理引擎(左圖)是一種低溫製冷設備，它將量子處理器冷卻到溫度低於星際空間180倍的溫度。IBM和Rigetti公司也在追求超導體系統，這些系統需要極低的溫度。
IonQ公司有一種不同的方法被稱為“捕獲離子”，它使用鐳射冷卻和分離單個離子。這使得量子位更容易控制，從而也更可預測。該公司預計，trapped-ion技術將使其電腦在室溫下運行，儘管尚未製造出原型機。
一個誤解
關於量子電腦的一個常見誤解是，它們將取代數位電腦。事實上，這兩種架構是適合不同類型的問題。對於涉及基本演算法的大多數常見資料處理任務，數位電腦在未來的許多年裡將會一直是好的解決方案。
量子電腦更適合於複雜性增加作為變數數量的指數的問題。IonQ公司的Moehring將化肥生產作為一個量子電腦將解決傳統電腦無法解決的問題。量子電腦給出的答案是世界上大約2%的能源都用於化肥生產，這是一個昂貴的過程，自然處理得更加巧妙。瞭解如何複製自然過程需要分子建模，這是一個隨潛在的相互作用而呈指數增長的問題。“即使是一個尺寸適中的分子，世界上最強大的經典電腦也無法類比它的相互作用，”他說，“而且他們永遠不會，因為傳統的電腦無法達到足夠的規模。”
另一種誤解是量子電腦只有一種。事實上，有好幾種，大多數商業活動都集中在三種架構上。
量子門模型是由Rigetti、IonQ和IBM(如圖)以不同的方式進行的。它具有足夠的靈活性，可以通過程式設計適應各種不同的使用場景。誤差校正是量子門模型最大的缺點之一。IonQ正在用被捕獲的離子技術解決這個問題，而Rigetti和IBM正在追求超導量子位。
D-Wave使用的量子退火模型具有穩定性優勢，但被認為比量子門模型更靈活。
由微軟公司提出的拓撲量子模型被認為是這三者中技術含量最高的。它將靈活性與低錯誤率結合在一起，但在這一點上，它的缺點只是理論上存在：從來沒有人沒有人構建過。
市場是如此之新，以至於幾乎沒有達成共識，哪一種方法是最好的，參與者仍在激烈地討論“純”量子計算的定義和優點。目前正在運輸商業量子處理器D-Wave的公司已經採用了量子化的方法，這一模式引發了相當大的爭議。
“D-Wave的弱點在於，你需要把問題映射到一個固定的功能上，”IBM的Crowder這樣表示。“我不清楚它是否會比傳統的電腦更有優勢，但只要它們展示了商業價值，其他的就不重要了。”
Rigetti公司的Bestwick同意。他說:“這就像一個特殊用途的ASIC(特定于應用程式的積體電路)，只能做一件事和一件事。”
D-Wave的Brownell駁斥了這樣的批評，因為競爭對手為了轉移人們的注意力而忽略了他們沒有產品的事實。他說，D-Wave的方法和其他方案一樣，都具有可擴展性和靈活性。D-Wave指出其140項美國專利和90多篇同行評審的論文作為證據。他說：“其他人正試圖做一個更數學或理論上更純粹的量子計算，但他們還需要數年時間才能解決其中的一些簡單的問題。”“我們是唯一擁有真正客戶的人。”
作為D-Wave方法可行性的證據，他提到了該公司所取得的持續的可擴展性。2011年推出的第一台機器包含128個量子位。新的2000Q量子位為2000，增加了15倍。他引用穀歌2015年的發現，在蒙特卡洛模擬中，一台D-Wave機器比單核電腦快1億倍，他說:“我們今天所裝運的機器比我們第一次裝運的機器要強大數十萬倍。”
未來五年
在未來的三到五年內，量子計算不太可能應用在核心科學之外的應用中。但到那時，50位量子門處理器應該開始進入市場。IBM表示，未來幾年內將會開發出商用硬體。“並不會用很長時間，”他說。“我們正處在風口浪尖上。”
IonQ的Moehring認為，他的公司將在2022年建成的系統“不太可能解決非常大的分子動力學或優化問題，但他們將創造出我們需要發現這些應用的路線圖。”Rigetti的Bestwick說，他的公司的第一個商業系統很可能是混合動力車，“使用經典電腦應用於經典電腦的部分應用，並使用量子計算來解決無法解決的部分。”
在資訊技術領域，目前專注於將所有可能的硬體功能抽象到軟體上，量子電腦行業仍然牢牢地紮根於金屬硬體中。沒有標準，沒有對等的處理器平臺，也沒有參考架構。每個供應商都在推出自己的解決方案和與之配套的軟體。這是否意味著一家公司將會像上世紀80年代的IBM那樣來主宰量子計算領域?但是IBM的首席代表並不這麼認為。
他表示：“IBM這樣的公司提供完整的服務，但我們也需要協力廠商，他們對企業客戶的領域有非常直觀的瞭解。”“我們為系統的發展做出了很多努力。”
Crowder說，系統軟體級別的程式設計將需要專業技能，但他預計應用程式開發人員將能夠比較容易地轉換到量子。他說：“你不需要成為量子專家來為量子電腦編寫代碼。”“你可以從GitHub上下載Python筆記來完成這一任務。”
在這些平臺問題得到解決之前，應用程式將主要靠手工編寫。風險投資公司新企業協會的負責人安德魯?舍恩表示，現在就把賭注押在打包軟體上還為時過早。“這就像在仙童半導體成立之前投資亞馬遜，”他說。
但作為IonQ的主要投資者，NEA正在把錢放進自己嘴裡。“風險資本的作用是投資于那些有機會大幅改善未來的人和公司，”他說。“量子計算完全符合在這個框架當中。”
如果目前的趨勢繼續下去，它也將越來越符合主流企業的處理框架。在量子力學模型首次發表後的37年，推銷員湯姆可能很快就可以開始他的終極之旅了。