從更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)到更快的藥物開發(fā)，量子計(jì)算機(jī)的未來令人興奮。但在此過程中，我們必須解決一些問題。

美國首家量子計(jì)算上市公司IonQ最近獲得了一份價(jià)值1340萬美元的合同，為美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）提供量子技術(shù)，以幫助保護(hù)美國的公共和私人基礎(chǔ)設(shè)施。IonQ的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家克里斯·門羅（Chris Monroe）表示，該領(lǐng)域才剛剛落地。

大約二十年前，他曾在NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，National Institute of Standards and Technology）研究原子鐘。“當(dāng)時(shí)，我們利用了量子糾纏，使原子鐘更加精確。而現(xiàn)在，我們正利用量子糾纏來制造一臺帶有量子邏輯門的小型量子計(jì)算機(jī)”他說。此次專訪，筆者將與克里斯·門羅坐下來討論量子計(jì)算研究的發(fā)展方向，可能會(huì)出現(xiàn)哪些問題，以及“量子”的奧秘在未來能讓我們看到多遠(yuǎn)。

什么是量子計(jì)算？

在過去的70年里，我們已經(jīng)經(jīng)歷了經(jīng)典的電子計(jì)算機(jī)革命。這與量子計(jì)算機(jī)有很多相似之處。在我們擁有電子計(jì)算機(jī)之前，我們就知道——計(jì)算機(jī)的概念是獨(dú)立于任何硬件的——可以使用電路，也可以使用算盤、真空管，或硅晶體管等不同硬件來計(jì)算，同樣你可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在盒式磁帶、硬盤或閃存上。硬件是什么并不重要，只要你有硬件，它可以通過某種物理特性運(yùn)行計(jì)算。

另一件事情也令人興奮，由于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的硬件在1950年代和1960年代首次使用集成電路，在當(dāng)時(shí)人們最瘋狂的夢想中，也沒有人會(huì)想到可以在一平方英寸大小的芯片上集成了100億個(gè)晶體管，并在生活中廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，我們拍張照片就用了數(shù)十MB，我們本不需要那么大的存儲(chǔ)空間，但是我們懶得去壓縮圖片，因?yàn)閮?nèi)存很便宜。

現(xiàn)在我們還沒有到達(dá)量子時(shí)代，它還不是一種商品。但是我們就像處于量子計(jì)算的“1950年代或1960年代初”，沒有人能準(zhǔn)確預(yù)測它的未來將有多大。我們只知道它可能很重要，會(huì)很有用，這與1960年代的情況完全相同。

首個(gè)集成電路的應(yīng)用是一個(gè)微型放大器，用在助聽器里面，這樣就可以把助聽器放在口袋里，不必隨身攜帶一個(gè)大而笨重的設(shè)備，因?yàn)楣杈w管比真空管小得多。在第二次世界大戰(zhàn)期間，人們研制了計(jì)算機(jī)來計(jì)算導(dǎo)彈的軌跡。這些都是非常重要的應(yīng)用案例，但是這些應(yīng)用我們今天都忽略了。世人很可能夸大了量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用場景，也很難準(zhǔn)確預(yù)測硬件何時(shí)能夠就緒，因?yàn)榱孔佑?jì)算太奇特了。

我們今天必須學(xué)習(xí)如何編程本地硬件。我們從高性能計(jì)算領(lǐng)域中借用了一個(gè)詞——協(xié)同設(shè)計(jì)。需要讓軟件和應(yīng)用工程師和像我這樣的硬件工程師一起工作，從最基礎(chǔ)的制造晶體管、構(gòu)建單個(gè)量子比特開始一起工作。我們需要程序員確切地知道硬件是如何工作的，這樣他們才能制作出非常高效的代碼。這么做真的很重要。

我們需要重新考慮軟件部分嗎？

沒錯(cuò)。這就是量子計(jì)算的不同之處。想想我們需要更好的計(jì)算機(jī)做什么？好吧——我想我們總是需要更好的計(jì)算機(jī)。如果想更精確地計(jì)算天氣，那需要更多的內(nèi)存。

這不是說量子計(jì)算機(jī)會(huì)更精確地計(jì)算天氣，但某些類型的問題涉及大量數(shù)據(jù)，量子計(jì)算機(jī)可以更“自然地”解決它們。這些問題此前經(jīng)常被我們避開或忽略，比如非常大規(guī)模的優(yōu)化問題。

舉例來說：物流公司每天都會(huì)交付數(shù)百萬個(gè)包裹。我們知道這些東西從哪里出發(fā)，需要送到哪里。他們必須找出將包裹送到目的地的最佳路線，同時(shí)最大限度地減少行駛里程，減少能耗。這是一個(gè)巨大的物流問題，涉及非常多的可能路徑配置，導(dǎo)致經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法做到精確計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能通過猜測取得近似最優(yōu)結(jié)果。

如果我們能找到最優(yōu)路徑，并使成本降低10%，這就有著巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值：每天數(shù)十億美元。但是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法計(jì)算這些類型的問題，而量子計(jì)算機(jī)正好可以。

量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵在于它可以同時(shí)并行處理多條數(shù)據(jù)。它適用于優(yōu)化問題而不是所有問題，這是有原因的。在物流優(yōu)化問題中，答案很簡單，有無數(shù)條路徑，但只有一條最佳路徑。這就是量子計(jì)算機(jī)擅長的問題。

因此，對于任何帶有“優(yōu)化”一詞的問題，量子計(jì)算都有很大的解決希望。

IonQ量子計(jì)算機(jī)與其他競爭對手有何不同？

大約30年前，我進(jìn)入了這個(gè)研究領(lǐng)域。我曾在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）研究原子鐘。這些原子鐘使用單個(gè)孤立的原子。它們處于物體的表面，也不是固體的一部分。這些原子被隔離在真空中。

它們是完全孤立的，并可以被復(fù)制。如果我給你一個(gè)某種特定類型的原子，例如某種同位素原子，它們就是一樣的。這就是時(shí)鐘所需要的，你需要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。如果告訴你我的時(shí)鐘是基于銫133的原子，我們就可以完美地復(fù)制它。

我們正在制造更好的原子鐘。這個(gè)研究領(lǐng)域聽起來很狹窄，但我們有一個(gè)研究小組，我們需要將這些原子糾纏起來。當(dāng)時(shí)我們不知道量子計(jì)算機(jī)是什么，我們只是糾纏原子，使時(shí)鐘更好地工作。事實(shí)證明，我們是在制造一個(gè)帶有量子邏輯門的微型量子計(jì)算機(jī)，它可以產(chǎn)生糾纏。這個(gè)領(lǐng)域就這樣出現(xiàn)了。

我們碰巧在正確的時(shí)間出現(xiàn)在正確的研究領(lǐng)域中。在那之后五年左右的時(shí)間里，我們一直在完善如何將各個(gè)量子比特連接在一起。在我們的研究中，這些量子比特是單個(gè)原子構(gòu)造的，當(dāng)涉及到計(jì)算，這就非常奇特了。

你不會(huì)認(rèn)為計(jì)算機(jī)是有單個(gè)原子的。我們在一個(gè)小真空室里用激光束“戳”它們。我在NIST的同事戴夫·懷恩蘭（Dave Wineland）在2012年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，部分原因就是這項(xiàng)工作。最近，量子糾纏領(lǐng)域的研究也獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，我敢肯定，我們的原子研究在里面貢獻(xiàn)了一些基礎(chǔ)工作。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了20年的研究后，我和Jungsang Kim（IonQ的另一位聯(lián)合創(chuàng)始人）看到，它已經(jīng)準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品了。Kim更像是一名工程師，而我更像是一名物理學(xué)家?，F(xiàn)在，我們在一起就覆蓋了該產(chǎn)品背后的科學(xué)和工程。

IonQ的獨(dú)特之處在于，我們是第一家走到上市的量子計(jì)算公司。我們不用常見的硅或固態(tài)物體，或是超導(dǎo)電路來構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。我們用的是單個(gè)原子。與經(jīng)典計(jì)算不同，量子計(jì)算的問題在于，如果你制造單獨(dú)的晶體管或量子比特，并且它們不嚴(yán)格一致時(shí)，那么誤差會(huì)就會(huì)被傳播放大。這是有問題的。此外，量子系統(tǒng)必須被隔離才能工作。被囚禁在芯片上方真空腔中的單個(gè)原子就處于完美的隔離狀態(tài)中。

我們已經(jīng)擁有量子計(jì)算機(jī)所需的所有基礎(chǔ)理論?，F(xiàn)在它只是個(gè)工程問題，比如如何集成各式各樣的光學(xué)控制器，并將其產(chǎn)品化等等諸如此類。我們不再擔(dān)心底層的物理原理。

而其他超導(dǎo)電路或基于固態(tài)的量子計(jì)算路線并非如此。他們還需要取得很多突破，尤其是如何擴(kuò)展（量子比特規(guī)模）。他們不知道該怎么做，沒有人知道如何在這些技術(shù)的量子系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展。

我們確切地知道如何擴(kuò)展量子比特規(guī)模，盡管這將會(huì)很昂貴。

量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)會(huì)共存嗎？

我不認(rèn)為量子會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。我們需要好的經(jīng)典計(jì)算機(jī)來協(xié)助量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行。

在某些問題上經(jīng)典計(jì)算機(jī)可能與量子計(jì)算機(jī)一樣好或更好。如果你有一個(gè)表格，對每個(gè)表格輸入給出一個(gè)輸出，那么經(jīng)典計(jì)算機(jī)更好。量子計(jì)算機(jī)更像是一個(gè)漏斗：它需要更多的輸入，但它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出。它將協(xié)助我們求解那些大規(guī)模社會(huì)所要解決的問題。

但是現(xiàn)在我們還沒有開始解決這些問題，所以這就像量子計(jì)算的1960年，我們也不知道還會(huì)出現(xiàn)多少新問題。例如自動(dòng)駕駛汽車會(huì)輸入大量的數(shù)據(jù)，它們必須進(jìn)行優(yōu)化。我們怎樣才能應(yīng)付路上發(fā)生的所有事情，然后到達(dá)目的地，而不是發(fā)生事故呢？

經(jīng)典計(jì)算機(jī)將長期存在，用于處理某些類型的問題?，F(xiàn)在我們將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的設(shè)備中，存儲(chǔ)與計(jì)算設(shè)備相分離。我認(rèn)為從長遠(yuǎn)來看，（不同環(huán)節(jié)的計(jì)算設(shè)備也可以分離），量子計(jì)算機(jī)將成為計(jì)算系統(tǒng)的另一部分。

Q：最近，您的公司發(fā)布了一些大新聞。例如獲得了美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的合同。您想詳細(xì)談?wù)勥@個(gè)特殊的合作項(xiàng)目，還是聊聊其他您認(rèn)為最有趣的項(xiàng)目？

克里斯·門羅（Chris Monroe）：IonQ于2016年左右開始運(yùn)營。到目前為止，我們已經(jīng)建造了六代量子計(jì)算機(jī)，還有三代正在開發(fā)中。每一代都變得越來越強(qiáng)大。在過去的兩年里，我們獲得了一些令人興奮的機(jī)遇。首先，我們有一個(gè)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)。他們正試圖在現(xiàn)實(shí)世界的問題上部署我們的系統(tǒng)，并與客戶合作。例如現(xiàn)代汽車對設(shè)計(jì)新的固態(tài)電池非常感興趣。這與量子有什么關(guān)系呢？——研究用于電池的固態(tài)材料的性質(zhì)，是高度復(fù)雜的量子問題。

另一個(gè)驚喜來自金融部門。紐約所有的銀行，甚至世界各國政府，都需要解決大型的優(yōu)化問題。他們喜歡建模經(jīng)濟(jì)，這就像模擬天氣一樣困難，有這么多的指標(biāo)。很多指標(biāo)需要納入其中進(jìn)入，例如道瓊斯指數(shù)。這就是我們現(xiàn)在非常重視的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：投資優(yōu)化。這些銀行的全職員工100%時(shí)間都在思考量子計(jì)算如何幫助他們的業(yè)務(wù)。

至于您提到的空軍。它們需要實(shí)際部署量子計(jì)算機(jī)，不只是在云上訪問。他們希望量子計(jì)算機(jī)部署到他們的建筑里，我們早就應(yīng)該預(yù)料到這一點(diǎn)。因此我們開始啟動(dòng)公司的制造部門，該部門將停止研制樣機(jī)，并開始建造很多臺同一型號的量子計(jì)算機(jī)。這就像汽車廠的裝配線：不是造一輛定制的汽車，而是制造了很多一樣的車輛。

這需要我們凍結(jié)原型機(jī)設(shè)計(jì)。我們期望這個(gè)機(jī)器有相當(dāng)高的性能，但現(xiàn)在還沒有準(zhǔn)備好。給我們一兩年的時(shí)間，我們將能夠提供這些性能?？哲娋褪沁@樣的客戶，他們希望在他們的實(shí)驗(yàn)室里擁有一臺量子計(jì)算機(jī)。

順便說一句，空軍對網(wǎng)絡(luò)非常感興趣，這是我們擴(kuò)展計(jì)劃的一部分：將計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)在一起。

Q：你說過已經(jīng)制造了六代量子計(jì)算機(jī)。這意味著它不是空軍買來后能用上20年的東西。這仍然是一個(gè)飛快發(fā)展的領(lǐng)域，如何面對這個(gè)問題？

克里斯·門羅（Chris Monroe）：這很棘手。在這六代機(jī)器中，有兩代幾乎是平行的。它們部署在亞馬遜，微軟和谷歌的云上。將計(jì)算機(jī)放在云上，而不是交付計(jì)算機(jī)的問題在于它必須一直運(yùn)行著，沒有時(shí)間去改進(jìn)它。

我們創(chuàng)辦公司就是為了不斷的改進(jìn)。我們希望進(jìn)入機(jī)房去升級它，以便于更好地工作。但這樣一來，這臺云服務(wù)的量子計(jì)算機(jī)必須停下來，這是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。要把量子計(jì)算機(jī)部署上云，我們必須同意停止改進(jìn)它，這是事情壞的一面。

好的一面是，這讓我們學(xué)會(huì)了如何制造一臺完全自主運(yùn)行的機(jī)器，幾乎能24*7全天候運(yùn)行，無需任何維護(hù)。這在量子計(jì)算系統(tǒng)上很難。通過將我們的系統(tǒng)放在云上，我們知道了如何做到這一點(diǎn)。當(dāng)需要交付真正的產(chǎn)品時(shí)，這將很有幫助。

向空軍提供硬件是一件大事?？哲姷暮锰幨?，他們有非常優(yōu)秀的人了解該系統(tǒng)的工作原理，這是我們達(dá)成協(xié)議的關(guān)鍵。從這一點(diǎn)上來說，要把它賣給其他人會(huì)更難，但空軍是一個(gè)完美的合作伙伴。

最終，我們將有裝在黑色大機(jī)箱里面的量子計(jì)算機(jī)，這些黑色機(jī)箱可以四處移動(dòng)，但今年不會(huì)。決定何時(shí)凍結(jié)研發(fā)并進(jìn)行交付，何時(shí)繼續(xù)研發(fā)非常具有挑戰(zhàn)性，現(xiàn)在我們必須同時(shí)做這兩件事。我們還需要客戶了解我們的系統(tǒng)是如何工作的，即使現(xiàn)在它們還不夠強(qiáng)大，無法破解代碼或其他東西，也無法解決亞馬遜的所有問題。

編譯：王珩

編輯：慕一