十多年来，研究人员一直在研究量子系统，希望能开发出超小型、超强大的计算机。虽然量子计算仍有很多令人兴奋的地方，但重大的障碍让一些人开始质疑量子计算是否能走出实验室。
首先,什么是量子计算吗?一个简单的定义是量子计算机使用量子位(或量子位)来编码信息。然而，与使用0或1位元的硅基计算机不同，量子位元可以同时以多种状态存在。换句话说，量子位是一比特信息，它还没有决定它想要成为0还是1。
理论上，这意味着量子系统可以同时进行计算;本质上，是真正的并行系统。
弗吉尼亚大学(University of Virginia)实验原子、分子和光学物理学教授奥利维尔•费斯特(Olivier Pfister)表示，量子算法可以在计算速度方面实现指数级进步，这将对数据库搜索、模式识别、解决复杂数学问题和破解加密协议非常有用。
但Pfister补充称:“要想取得成功，障碍很多。”第一个是可扩展性——如何用大量的量子位构建系统。第二个问题更令人烦恼——如何克服“退相干”，即量子位元与环境相互作用时量子态发生的随机变化。
第一个障碍很明显:量子系统是微观的。挑战是在原子尺度上获得精确的控制水平，超过数千个原子。到目前为止，这只达到了10个原子的量级。
Pfister表示:“我在光学领域的工作表明，我对60个量子位当量(我们称之为‘量子模’)具有良好的初步控制能力，并有潜力扩展到数千个量子模。”“每个量子模态都是电磁场的特定颜色，但要开发量子计算机，需要近数百到数千个量子模态。”
“退欧”是一个更令人烦恼的问题。“在我们学会如何控制退相干之前，世界上所有的算法或专利都无法生产出量子计算机，”英属哥伦比亚大学太平洋理论物理、物理和天文学研究所所长菲利普·斯坦普(Philip Stamp)教授说。
在量子研究的早期，计算机科学家使用经典的纠错方法试图减轻退相干的影响，但斯坦普说，这些方法被证明并不适用于量子世界。“人们强烈主张纠错是解决退相干问题的万灵药，这种观点需要重新评估。”
根据Stamp的说法，在世界各地有许多实验中，研究人员声称他们已经建立了量子信息处理设备，但当提出关于多量子位系统退相干的难题时，这些声明中的许多都被驳倒了。
到目前为止，最复杂的量子计算已经在“离子陷阱”系统中完成，有多达8个纠缠量子位元。但物理学家认为，该领域的长期未来取决于固态计算;也就是说，由固态电子器件(或外观和感觉更像普通微处理器的全电子器件)制成的处理器，而不是原子粒子。直到现在，使用固态量子位元还不可能做到这一点，因为量子位元只能维持大约1纳秒。现在这些量子位元可以持续一微秒(1000倍的时间)，足以运行简单的算法。
量子的争议
来自温哥华D-Wave Systems公司的研究小组最近在《自然国际科学周刊》上发表了磁分子量子位的低退相干度的最新结果。D-Wave已经完成了一项称为量子退火的技术，它可以为量子处理器提供计算模型。
来自伯明翰大学的Suzanne Gildert博士，实验物理学家和量子计算机程序员(现在在D-Wave系统工作)说，有了量子退火，退相干不是问题。
根据Gildert的说法，D-Wave使用自然量子计算(NQC)来构建量子计算机，这与传统的方案有很大的不同。“一些量子计算计划试图从常规计算(比如逻辑运算)中汲取灵感，并制作它们的‘量子’版本，这是极其困难的。制造“量子”版本的计算操作是一个非常微妙的过程。这就像把一支铅笔放在一块木头上，让它直立着，然后移动木头来平衡整个东西。这几乎是不可能的。你必须不断地努力工作才能保住这支铅笔。(即量子位元)处于直立状态。“‘退相干’指的是铅笔掉下来的时候发生的事情，”吉尔德特说。
“在我们的NQC方法中，它更可扩展和健壮，我们让铅笔平躺在木头上，然后移动它。我们的计算方式是允许铅笔随意滚动，而不是让它保持一种不寻常的状态。所以我们没有同样的信息比特‘解码器’的问题，因为我们试图将系统置于自然希望它处于的状态(这就是为什么我们称它为自然QC)。”
但Gartner research的副总裁兼半导体和电子研究主管吉姆·塔利(Jim Tully)说，D-Wave所做的并不是真正的量子计算。
塔利说:“量子计算的一个子类已经被称为量子退火的d波系统证明，它涉及叠加，但不涉及纠缠，也不是;因此，“真正的”量子计算。量子退火在优化方面有潜在的用处，特别是在快速找到数据集中的数学最小值方面。”
对于D-Wave的方法是否纯粹是量子计算，可能存在一些争议，但洛克希德·马丁公司对此深信不疑。洛克希德·马丁公司拥有一个名为D-Wave One的量子计算系统，一个128量子位处理器和周边系统(冷却设备、屏蔽室等)。洛克希德正在致力于一个被称为验证和确认的问题，以开发工具，帮助预测一个复杂系统的行为;例如，检测系统中是否存在可能导致设备以错误方式运行的bug。
洛克希德·马丁公司通信信息系统和全球解决方案主管基思·莫道夫说:“是的，我们有一台56个量子位的全功能量子计算机，这与传统方法不同。D-Wave使用绝热或量子退火方法，它定义了一个基态(最低能量态)代表问题解决方案的复杂系统。它构建一个简单的系统并将其初始化到基态(对于简单系统来说相对简单)，然后慢慢地改变这个简单的系统，直到它成为复杂的系统。随着系统的发展，它保持在基态，然后测量最终系统的状态。这就是问题的答案。从简单系统到复杂系统的变化是通过打开背景磁场引起的。
未来的冲击
一些科学家对量子计算极为怀疑，并怀疑它将成为任何有形的东西。
牛津大学数学研究所的量子物理学教授Artur Ekert说，今天的物理学家只能控制少量的量子比特，这足够用于量子通信和量子密码，但仅此而已。他指出，生产量子中继器和量子存储器需要更多的驯化量子位元，而保护和修正量子数据则需要更多的量子位元。
“再加上几个量子位元，我们就能对一些量子现象进行量子模拟，等等。但是，当这个过程到达“一个实用的量子计算机”是一个定义什么是真正的“一个实用的量子计算机”的问题。我们在这个领域的研究最好的结果将是发现，由于一些非常基本的原因，我们不能建造量子计算机，然后我们可能会学到一些关于自然规律的新的和深刻的东西，”Ekert说。
Gildert补充说，量子计算的关键领域将是机器学习，这与人工智能(AI)领域密切相关。这个原则是关于构建可以从经验中学习的软件程序，而不是当前的软件，后者是静态的。
Gildert说:“这与我们今天在大多数任务中使用计算机的方式截然不同。”“学习软件不是普遍存在的原因是，当你仔细研究机器学习软件时，在其内部存在一些非常困难和核心的数学问题，即优化问题。”D-Wave正在打造一个硬件引擎，旨在解决这些难题，为一种全新的编程方式和创造有用代码打开大门。”
Gildert认为，一个非常重要的现实应用是在医学诊断领域。可以编写一个程序，对x射线或MRI图像应用手工编码的规则，尝试检测图像中是否有肿瘤。但是，目前的软件只能在专家医生掌握了从这些图像中寻找什么的知识的情况下运行。有了学习软件，程序就会显示有或没有肿瘤的x光或核磁共振扫描的例子，然后它自己就会学习这些差异，而无需被告知。有了这项技术，计算机甚至可以检测到医生看不见或可能没有注意到的异常。你展示的例子越多，它在这个任务中表现得越好。
“QCs不太可能很快取代台式电脑，”Gildert说。他说:“就年限而言，这取决于投入的努力、可用的资金以及致力于解决这个问题的人员。逻辑上的假设是，这些机器将是现有数据中心的基于云的协同处理器，这些数据中心由那些有非常棘手问题需要解决的公司使用。雷竞技电脑网站量子系统非常擅长解决人工智能和机器学习领域的特定类别的困难问题，因此我们正专注于构建工具，帮助向在这些领域工作的人介绍量子计算的潜力。”
Intersect360研究公司是一家专注于高性能计算的分析公司，其首席执行官Addison Snell说:“量子计算仍然主要是政府和国防研究实验室的兴趣所在。而且，虽然量子计算的原理已经被描述多年，它是一个全新的范例，和数量应用程序它将工作，即使理论上在这一点，是很小的。然而，其中一些申请可能与国家有关安全，所以人们的兴趣仍然很高。”
“量子计算肯定是‘雷达上的’IBM但很难说他们有多少工程师在研究这项技术。在这一点上，它不确定是否量子计算将有任何作用，除了少数精品超级计算装置;但如果真的实现了，在未来五年内，我们不太可能看到商用的可工作系统。”
“这取决于你所说的工作系统是什么意思，”Stamp补充道。“如果你相信D-Wave的话，我们现在已经有了一套可供商业使用的系统。我认为，对于一台真正的量子计算机，大公司可能要买10年，而普通消费者要买25到30年。”
战略研究公司(Strategic Research Corporation)的分析师兼首席执行官迈克尔•彼得森(Michael Peterson)表示:“即使量子计算证明具有竞争力和有效性，我也会把它推迟20年，因为它需要非常复杂的基础设施。”“开发这样的新技术需要不止一次地‘打破物理定律’。’然而，在过去的25年里，我们用磁盘技术做了很多次，我们还会做很多次。”
莫道夫补充说，也有其他商业公司在评估量子计算机，但到目前为止，当然除了洛克希德和D-Wave之外，没有人真正“使用”量子计算机。Ekert说:“不管我们想不想要，我们最终都必须进入量子领域。”
一些研究人员认为，通用量子计算机将永远不会被开发出来。相反，他们将专注于一个狭窄的用途类别，如D-Wave系统的优化引擎。这意味着传统计算机将特定的计算任务转嫁给专用的量子加速引擎。这仍然可能是大约10年之前，加速引擎的方法是准备为一般用户阶层，可以使用他们;不过，对于云服务提供商来说，它们很可能是有吸引力的产品。
萨尔顿是《数据网络101》一书的作者，也是来自犹他州盐湖城的自由撰稿人。请联系她julesds@comcast.net。