量子计算机最近一直在我的脑海中盘旋。一位喜欢投资科技的朋友，他知道我尝试学习量子力学，一直在给我发送文章，内容是关于量子计算机如何帮助解决“我们人类面临的最大和最复杂的挑战之一”，正如一位福布斯评论员最近宣称的那样。我的朋友问：“你觉得怎么样，科学作家先生？量子计算机真的是下一个大热门吗？”
我还与两位量子计算专家进行了交流，他们对这项技术的前景持有不同的看法。一位是计算机科学家斯科特·阿伦森，正如我曾经说过的那样，他拥有“我见过的最高的智力/自命不凡比率之一”。我不想让他更尴尬，但我认为阿伦森是量子计算的良心，他帮助保持该领域的诚实。
另一位专家是物理学家特里·鲁道夫。他是PBR定理的合著者，“R”代表鲁道夫，该定理与其更著名的前身贝尔定理一起，揭示了量子行为的特殊性。2011年，《自然》杂志将PBR定理描述为“自1964年贝尔定理发表以来，与量子力学基础相关的最重要的普遍定理”。鲁道夫也是Q Is for Quantum的作者，以及量子计算初创公司PsiQuantum的联合创始人。阿伦森和鲁道夫关系友好；他们于2007年合著了一篇论文，鲁道夫在阿伦森的博客上撰写了关于Q Is for Quantum的文章。在本专栏中，我将总结他们的观点，并尝试得出一个连贯的结论。
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首先，一点背景知识。量子计算机利用叠加（一个粒子同时占据两种或多种互斥状态）和纠缠（一种特殊的叠加形式，其中两个或多个粒子以幽灵般的方式相互影响）来完成普通计算机无法完成的事情。比特是传统计算机的基本信息单位，可以处于两种状态之一，分别代表 1 或 0。相比之下，量子计算机处理量子比特，量子比特由叠加粒子构成，这些粒子同时体现多种状态。
几十年来，量子计算仅仅是一种假设或实验室的好奇心，因为研究人员努力解决保持叠加和纠缠足够长的时间以执行有用计算的技术复杂性。（请记住，一旦您观察电子或猫，其叠加就会消失。）现在，像 IBM、亚马逊、微软和谷歌这样的科技巨头已经投资了量子计算，许多规模较小的公司也进行了投资，据一项统计，有 193 家公司。3 月，初创公司 IonQ 宣布了一项 20 亿美元的交易，这将使其成为第一家致力于量子计算机的上市公司。
《华尔街日报》报道称，IonQ 计划生产一种设备，其尺寸大约相当于 Xbox 视频游戏机，预计在 2023 年推出。《华尔街日报》指出，量子计算可以“加速与金融、药物和材料发现、人工智能等相关的计算，并破解许多用于保护互联网的防御措施”。据商业内幕报道，量子计算机可以帮助我们“治愈癌症，甚至采取措施扭转气候变化”。
这就是让斯科特·阿伦森感到恼火的炒作。他成为一名计算机科学家是因为他相信量子计算的潜力，并希望帮助开发它。他很乐意看到有人制造出一台机器，证明那些反对者是错误的。但他担心研究人员正在做出他们无法兑现的承诺。上个月，阿伦森在他的博客 Shtetl-Optimized 上忧心忡忡地写道，他多年来一直在反驳的炒作，最近变得尤为过分。
阿伦森写道：“新的情况是，数百万美元现在可能提供给量子计算研究人员，以及股权、股票期权以及任何其他引起‘咔嚓’声效和眼睛里充满美元符号的东西。在许多情况下，为了有机会获得如此财富，专家所需要做的就是表达对量子计算将具有革命性的、改变世界的应用的乐观态度，并且很快实现这些应用。或者至少，当其他人这样说时，不要过于强烈地反对。” 阿伦森在媒体平台 Clubhouse 上进行了两个小时的讨论，详细阐述了他的担忧。下面我总结了他的几个观点。
量子计算爱好者宣称，这项技术将为机器学习提供超强动力。它将彻底改变化学、神经科学、医学、经济学和其他领域中复杂现象的模拟。它将解决旅行商问题和其他传统计算机难以解决的难题。阿伦森说，量子计算是否能实现这些目标仍然不清楚，他还补充说，乐观主义者可能会“面临残酷的觉醒”。
流行的说法通常暗示，量子计算机由于叠加和纠缠允许它们同时执行多项计算，因此只是传统计算机的更快版本。阿伦森说，这些说法具有误导性。与传统计算机相比，量子计算机是“不自然的”设备，可能最适合相对狭窄的应用范围，特别是模拟由量子效应主导的系统。
量子计算机超越最快传统机器的能力被称为“量子霸权”，这个词是物理学家约翰·普雷斯基尔在 2012 年创造的。证明量子霸权极其困难。即使在传统计算中，证明你的算法优于我的算法也不是一件容易的事。您必须选择一项代表公平测试的任务，并选择衡量速度和准确性的有效方法。测试结果也容易被误解和证实偏差。阿伦森说，测试“为恶作剧创造了巨大的空间”。
此外，传统计算机的硬件和软件不断改进。当量子计算机准备好进入市场时，它们可能会失去潜在客户——例如，如果经典计算机变得足够强大，可以模拟化学家和材料科学家在“现实生活中真正关心的”量子系统，阿伦森说。尽管量子计算机将“保留其理论优势，但其实际影响将减小”。
随着量子计算吸引越来越多的关注和资金，阿伦森说，研究人员可能会误导投资者、政府机构、记者、公众，最糟糕的是，他们自己对他们工作的潜力产生误解。阿伦森警告说，如果研究人员无法兑现他们的承诺，兴奋可能会让位于怀疑、失望和愤怒。该领域可能会失去资金和人才，并陷入像困扰人工智能那样的量子计算机“寒冬”。
许多其他技术——基因工程、高温超导体、纳米技术和聚变能——都经历过非理性繁荣的阶段。但阿伦森认为，量子计算的某些特性使其特别容易受到炒作的影响，也许是因为“‘量子’代表着您不应该能够理解的酷炫事物”。
这让我想起了特里·鲁道夫。今年一月，在读到我理解薛定谔方程的挣扎之后，鲁道夫给我发电子邮件，建议我阅读Q Is for Quantum。这本 153 页的书用一些算术和代数以及大量黑白球进出盒子的图表解释了量子力学。Q Is for Quantum比我读过的任何东西都让我更深入地了解了量子力学和量子计算。
鲁道夫首先概述了传统计算的简单规则，这些规则允许操纵比特。然后，他转向量子计算的奇怪规则，这些规则源于叠加和纠缠。他详细介绍了量子计算如何比传统计算更容易解决一个特定问题——一个涉及窃贼从金库中窃取代码保护的金条的问题。但他像阿伦森一样强调，这项技术有局限性；它“无法计算不可计算的东西”。
在我阅读完Q Is for Quantum之后，鲁道夫耐心地回答了我关于这本书的问题。您可以在这里找到我们的交流（假设您熟悉这本书）。他还回答了我关于 PsiQuantum 的问题，这是他于 2016 年共同创立的公司，直到最近一直避免公开宣传。尽管鲁道夫对自己在物理学方面的才能持幽默的谦逊态度（这增加了Q Is for Quantum的魅力），但他对 PsiQuantum 却充满信心。他与阿伦森一样担心炒作以及建立量子霸权的难度，但他表示这些担忧不适用于 PsiQuantum。
他说，该公司比任何其他公司都更接近“非常大的优势”，可以构建一台“有用”的量子计算机，一台“解决一个有影响的问题，而我们原本无法解决的问题（例如，量子化学中的一些具有实际应用的东西）”。他补充说，“显然，我带有偏见，人们自然会低估我的意见。但我花了很多时间定量地比较我们正在做的事情与其他人。”
鲁道夫和其他专家认为，具有强大纠错功能的“有用”量子计算机将需要数百万个量子比特。鲁道夫说，PsiQuantum 使用光构建量子比特，预计到本十年中期，将构建具有完全制造的组件的容错量子计算机，这些组件能够扩展到一百万甚至更多量子比特。PsiQuantum 已与半导体制造商 GlobalFoundries 合作以实现其目标。这些机器的尺寸将与房间相当，与超级计算机或数据中心相当。大多数用户将远程访问计算机。
PsiQuantum 真的能像鲁道夫声称的那样“大幅领先”所有竞争对手吗？它真的能在 2025 年之前生产出商业上可行的机器吗？我不知道。量子力学和量子计算仍然让我困惑。我当然不会建议我的朋友或任何其他人投资量子计算机。但我信任鲁道夫，就像我信任阿伦森一样。
早在 1994 年，我就为《大众科学》撰写了一份关于量子计算机的简短报告，指出原则上，它们可以“执行超出任何经典设备范围的任务”。从那时起，我就一直对量子计算很感兴趣。如果这项技术为科学家提供了更强大的工具来模拟复杂现象，尤其是事物核心的量子怪异现象，也许它会给科学带来急需的跳跃式发展。谁知道呢？我希望 PsiQuantum 能够帮助量子计算实现其炒作的价值。
这是一篇观点和分析文章。
延伸阅读:
有关量子力学的更多思考，请参阅我的新书 Pay Attention: Sex, Death, and Science 以及“Tragedy and Telepathy”，这是我的免费在线书籍 Mind-Body Problems 中的一章。