十多年来，研究人员一直在研究量子系统，希望能开发出超微小、超强大的计算机。虽然围绕量子计算仍有很多令人兴奋的事情，但一些重大的障碍正导致一些人质疑量子计算能否走出实验室。
首先,什么是量子计算？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的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，一个量子位是一个还没有决定是0还是1的信息。
理论上，这意味着量子系统可以同时进行计算;本质上是真正的平行系统。
弗吉尼亚大学(University of Virginia)的实验原子、分子和光学物理学教授奥利维尔·菲斯特(Olivier Pfister)表示，量子算法可以在计算速度上实现指数级的进步，这将有助于数据库搜索、模式识别、解决复杂的数学问题和破解加密协议。
菲斯特补充道:“但要取得完全成功，还有很多障碍。”第一个是可伸缩性——你如何构建具有大量量子位元的系统。第二个问题更令人烦恼——如何克服“退相干”，即当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。我们面临的挑战是在原子尺度上，在数千个原子上，获得精确的控制水平。到目前为止，这只是在10个原子的量级上实现的。
“我在光场方面的工作已经证明了对60个量子比特等价物的良好初步控制，我们称之为‘Qmodes’，并有潜力扩展到数千个Qmodes，”Pfister说。“每一种量子模式都是电磁场的一种明确指定的颜色，但要开发量子计算机，需要近成百上千种量子模式。”
退相干是一个更令人烦恼的问题。“在我们学会如何控制消相干之前，世界上所有的算法或专利都无法制造出量子计算机，”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·斯坦普教授说。
在量子研究的早期，计算机科学家使用经典的误差校正方法来试图减轻退相干的影响，但斯坦普说，这些方法被证明不适用于量子世界。“把纠正错误作为解决退相干的万灵药的强烈主张需要重新评估。”
据斯坦普说，世界各地正在进行许多实验，其中研究人员声称他们已经建造了量子信息处理设备，但当多量子位系统的退相干问题被问到时，这些说法中的许多都烟消云散了。
到目前为止，最复杂的量子计算已经在“离子阱”系统中进行，最多有8个纠缠量子位元。但物理学家认为，这个领域的长期未来在于固态计算;也就是说，在由固态电子设备(或外观和感觉更像普通微处理器的全电子设备)制成的处理器中，而不是原子粒子。这在使用固态量子位之前是不可能的，因为量子位只持续了大约一纳秒。现在，这些量子位元可以持续1微秒(1000倍)，这足以运行简单的算法。
量子的争议
位于温哥华的D-Wave系统公司的一个研究小组最近在《自然国际科学周刊》上发表了最新的研究结果，显示磁分子量子位的退相干性非常低。D-Wave已经完成了一项叫做量子退火的技术，它可以为量子处理器提供计算模型。
伯明翰大学的Suzanne Gildert博士，实验物理学家，量子计算机程序员(现在在D-Wave系统工作)，说量子退火，退相干不是问题。
根据吉尔德特的说法，D-Wave使用自然量子计算(NQC)来建造它的量子计算机，这与传统提出的方案非常不同。“一些量子计算方案试图从常规计算——比如逻辑运算——中汲取灵感，并将其制成‘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。这就像把一支铅笔竖在一块木头上，然后移动木头来平衡整个铅笔。这几乎是不可能的。你必须不断努力使铅笔(即量子位)保持在直立状态。“退相干就是铅笔掉下来的时候发生的，”吉尔德特说。
“在我们的NQC方法中，更具有可扩展性和健壮性，我们让铅笔平躺在木头上，然后移动它。我们的计算方法是让铅笔按照它想要的方式滚动，而不是让它停留在一个不寻常的状态。因此，我们不会遇到比特信息‘解调’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)。”
但高德纳研究公司(Gartner research)副总裁兼半导体与电子研究主管吉姆•塔利(Jim Tully)表示，D-Wave正在做的并不是真正意义上的量子计算。
Tully说:“D-Wave系统已经证明了量子计算的一个子类，它被称为量子退火，它涉及叠加，但不涉及纠缠;因此，“真正的”量子计算。量子退火可能对优化目的有用，特别是在数据集中快速找到数学最小值的目的。”
对于D-Wave的方法是否是纯粹的量子计算，可能存在一些争议，但洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)相信这一点。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)。洛克希德正在研究一个被称为验证和验证的问题，以开发工具，帮助预测一个复杂系统的行为;例如，检测系统中是否有可能导致设备以错误方式运行的bug。
洛克希德·马丁公司的通信信息系统和全球解决方案主管基思·莫尔多夫说:“是的，我们有一个功能齐全的56个量子位元的量子计算机，这与传统方法不同。D-Wave采用绝热或量子退火的方法，它定义了一个复杂的系统，其基态(最低能态)代表问题的解决方案。它构建一个简单的系统，并将其初始化为基态(对于简单系统来说相对简单)，然后慢慢地改变简单系统，直到它变成复杂系统。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。简单系统到复杂系统的变化是由背景磁场引起的。”
未来的冲击
一些科学家对量子计算极其怀疑，也不相信它会有任何实际意义。
牛津大学(University of Oxford)数学研究所(Mathematical Institute)量子物理学教授阿图尔·埃克特(Artur Ekert)表示，如今的物理学家只能控制少量的量子比特，这足以用于量子通信和量子密码，但仅此而已。他指出，生产量子重复器和量子存储器需要更多的量子比特，保护和修正量子数据则需要更多的量子比特。
“再加几个量子位，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“实用的量子计算机”时，很大程度上是一个定义“实用的量子计算机”到底是什么问题。我们在这一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，我们无法建造量子计算机，然后也许我们会学到一些关于自然法则的新的和深刻的东西，”Ekert说。
吉尔德特补充说，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。这门学科是关于构建可以从经验中学习的软件程序，而不是当前的静态软件。
“这与我们今天使用计算机处理大多数任务的方式完全不同，”吉尔德特说。“学习软件不是普遍存在的原因是，当你仔细观察机器学习软件时，你会发现其中隐藏着一些非常困难和核心的数学问题，即优化问题。D-Wave正在开发一种硬件引擎，旨在解决这些难题，为编程和创建有用代码打开了一扇全新的大门。”
根据吉尔德特的说法，一个非常重要的现实世界应用是在医疗诊断领域。我们可以编写一个程序，将手工编码的规则应用于x光或MRI图像，尝试并检测图像中是否有肿瘤。但目前的软件只能像专家医生的知识一样，在这些图像中寻找什么。在学习软件的帮助下，该程序会展示带有或不带有肿瘤的x光片或核磁共振成像(MRI)扫描的例子，然后无需别人告诉它，它自己就能了解其中的区别。有了这项技术，计算机甚至可以检测出医生看不到或可能根本没有注意到的异常情况。你展示的例子越多，它完成任务的能力就越强。
吉尔德特说:“qc不太可能很快取代台式电脑。”“就年份而言，这取决于投入的努力、可用的资金和致力于解决这个问题的人。合理的假设是，这些机器将是现有数据中心的基于云计算的协同处理器，这些数据中心是由有非常困难的问题需要解决的公司使用的。2020欧洲杯预赛量子系统非常擅长解决人工智能和机器学习领域的一类特定难题，所以我们正在专注于构建工具，帮助向在这些领域工作的人介绍量子计算的潜力。”
专长于高性能计算的分析公司Intersect360 Research的首席执行官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。虽然量子计算的原理已经被描述了很多年，但它是一个全新的范例，而且应用程序即使在理论上，它也适用于很小的地方。然而，其中一些应用可能与国家有关安全，所以人们的兴趣依然很高。”
“量子计算肯定在‘雷达上’IBM但很难说他们有多少工程师在从事这项技术。在这一点上，除了少数精品超级计算装置之外，量子计算是否还会发挥任何作用尚不确定;但即便如此，我们也不太可能在未来五年内看到商业可用的工作系统。”
“这取决于你对工作系统的定义，”斯坦普补充道。“如果你相信D-Wave，我们现在已经有了一套商用系统。我认为，对于一台真正的量子计算机，大公司可能需要10年，普通消费者需要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:“我认为量子计算即使证明它具有竞争力和可行性，也需要20年的时间，因为它需要非常复杂的基础设施。”“开发这样一项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，我们还会做更多。”
Mordoff补充道，也有其他商业公司在评估量子计算机，但迄今为止，除了洛克希德和D-Wave，没有一家公司真正在“使用”它们。“不管我们想不想这样，我们最终都必须冒险进入量子领域，”埃克特说。
“一些研究人员认为，通用量子计算机永远不会被开发出来。相反，它们将专注于一个狭窄的用途类别，如D-Wave系统的优化引擎。这表明，传统计算机将特定的计算转移到专用的量子加速引擎。加速引擎的方法可能还需要10年左右的时间才能被能够使用它们的用户群体普遍采用;不过，对于云服务提供商来说，它们可能是有吸引力的产品，塔利补充道。
萨顿是《数据网络101》一书的作者，也是犹他州盐湖城的自由撰稿人。可以和她联系julesds@comcast.net．