量子计算
量子计算是计算机研究领域中发展迅速的领域，有望在不久的将来实现商业应用。到那时，量子计算机将在某些任务上超越传统计算机，这些任务包括分子和材料建模，物流优化，财务建模，密码学和人工智能培训。
量子计算基础
传统计算机是由包含数百万或数十亿个微型晶体管的硅芯片制成的。它们中的每一个都可以打开-在对机器的理解中，这是状态“ 0”或“ 1”。随后，计算机使用“二进制数”或“位”存储和处理数据。
量子计算机用“量子比特”工作“量子比特”。它们可以通过硬件以不同的方式得到支持-例如，使用超导电路或单个捕获离子的量子力学特性。
量子位可以存在多个状态或“叠加”“同时。这允许一个量子位同时取值“ 1”，“ 0”或两者。这样一来，量子计算机就可以比传统计算机处理更多的数据，并执行大规模的并行处理。这也意味着，添加到量子计算机中的每个量子位都会成倍增加其功率。
大多数人在听到量子位的属性时会迷路。翻转后的硬币不能同时出现在正面和反面。但是，量子位的量子态可以做类似的事情。因此，著名的核物理学家尼尔斯·玻尔曾经说过：“没有被量子理论震惊的人根本就不理解它！”这不足为奇。
除了叠加之外，量子位还可以纠缠。 “纠缠是另一个关键的量子力学性质，这意味着一个量子位的状态可以取决于另一个量子位的状态。这意味着观察一个量子位可以揭示其不可观察对的状态。
创建和管理量子位非常困难。当今许多实验性量子处理器都使用发生在超导材料中的量子现象，因此需要将其冷却到接近绝对零（大约272摄氏度）。还需要保护免受背景噪声的影响，即使那样，使用量子位进行计算也需要纠错。量子计算的主要目标是创建一个容错机器。
量子先驱
当前为量子计算机开发硬件的公司包括：IBM，阿里巴巴，微软，谷歌，英特尔，D-Wave Systems，量子电路，IonQ，霍尼韦尔，Xanadu和Rigetti。他们中的许多人都与主要大学的研究小组合作，并且都在继续取得重大进展。以下是每个公司的工作概述。
IBM公司
IBM从事量子计算机研究已经超过35年。她在几台机器上工作取得了长足的进步。根据IBM-Q网站的说法：“如今，量子计算是研究人员的游乐场，但在五年之内它将成为主流。五年后，量子计算的作用将超越研究实验室。新的专业人员和开发人员将广泛使用它，他们将使用这种新的计算方法来解决曾经被认为无法克服的问题。”
2016年，IBM启动了一个网站称为IBM Q Experience，它向整个互联网展示了一个5量子位的量子计算机。从那以后，它又被第二台5量子位机器和16量子位机器连接在一起，这两种机器都可以用于实验。为了帮助那些想了解和参与量子计算的人，IBM提供了一个称为Qiskit的开源量子计算软件平台。
2017年11月，IBM宣布将两台20量子位计算机添加到其量子云中。注册IBM Q Network成员的客户可以使用它们... IBM将其描述为“由世界领先的财富500强公司，初创公司，学术机构和国家研究实验室组成的全球社区，它们与IBM一起致力于推进量子计算并探索商业和科学的实际应用。”
同样在2017年11月，IBM宣布已设计出50量子位的量子处理器，该处理器在当时被认为是功能最强大的量子硬件。
IBM的50量子位量子计算机
2019年1月，IBM宣布了其IBM Q System One作为“世界上第一个为科学和商业用途而开发的集成式通用近似量子计算系统”。此模块化且相对紧凑的系统设计用于实验室外。您可以在本新闻稿中阅读有关IBM Q System One的更多信息。
谷歌
另一个致力于使量子计算成为现实的科技巨头是Google，它拥有一个量子AI实验室。 2017年3月，在该工厂工作的工程师Masood Mohseni，Peter Reed和Hartmut Neven在《自然》杂志上发表了一篇文章。他们在报告中说，量子计算可以在相对较小的设备上实现，这种设备将在未来五年内出现。这证实了IBM对商业量子计算时间的愿景。
在量子计算的早期，Google使用了加拿大公司D-Wave Systems的机器。但是，该公司现在正在积极开发自己的设备，并于2018年3月宣布了一种新的72量子位量子处理器，名为猪鬃。
2019年6月，谷歌Hartmut Neven量子人工智能实验室负责人报告说，他们的量子处理器的功能目前正以两倍的速度增长。这被称为“尼文定律”，表明我们可以达到量子优势，到2019年底，量子计算机将超越任何经典计算机。
2019年10月，一组Google工程师在《自然》杂志上发表了一篇文章，她声称在其中取得了量子优势。具体来说，谷歌科学家使用了一种名为Sycamore的量子处理器来对伪随机量子电路的输出进行采样。 Sycamore花了大约200秒的时间才能对一个架构实例进行100万次采样。相比之下，Google小组计算出，一台经典的超级计算机执行相同的计算大约需要10,000年。该团队随后得出结论：“基于超导量子位的量子处理器现在可以执行超出当今最快的经典超级计算机能力范围的计算。该实验标志着只能在量子处理器上执行的第一个计算。因此，量子处理器已经达到了量子霸权体系。”
Google工程师的这一发现是个大新闻，但很快引发了争议。IBM发表了一篇博客文章，称Google实验中的计算可以在两天半的时间内（而不是10,000年）在经典计算机上完成。根据IBM的说法：“自从约翰·普雷斯基尔（John Preskill）在2012年提出“量子至上”一词的原始含义以来，它就描述了量子计算机可以完成传统计算机无法完成的工作-这一界限尚未跨越。
阿里巴巴
在中国，主要的互联网巨头是阿里巴巴，而不是谷歌。 2015年7月，他们与中国科学院合并，成立了“ CAS量子计算实验室-阿里巴巴”。正如潘建伟教授所解释的那样，他们的目标是“对似乎最有可能实现量子计算的实际应用的系统进行前沿研究，并打破摩尔定律和经典计算的瓶颈。”您可以在此处访问实验室网站。
与IBM一样，阿里巴巴也在网上提供了实验性量子计算机。具体来说，2018年3月，这家中国电子商务巨头启动了其“超导量子计算云”，以提供对11位量子计算机的访问。它是与中国科学院共同开发的，允许用户运行量子程序并下载结果。
微软
如您所料，微软对量子计算也很感兴趣，并且正在与一些世界顶级科学家和大学合作。为此，Microsoft已建立了多个Station Q实验室，例如加利福尼亚大学的实验室。在2019年2月，公司还宣布了Microsoft Quantum Network，将所有合作伙伴联盟聚集在一起。
微软策略的关键要素是开发基于“拓扑量子位”的量子计算机”该公司认为，这种方法不太容易出错（因此，需要较少的系统资源来修复错误）。微软还认为，拓扑量子位将更易于扩展用于商业应用。根据《计算机周刊》 2018年5月的一篇文章，微软的量子计算副总裁认为，商用量子计算机可能会在短短五年内进入其Azure云平台。
在软件方面，Microsoft在2017年12月发布了其Computing Developer Tool的预览版。它是免费下载的，并包含一种称为Q＃的编程语言。和量子计算模拟器。在2019年5月，微软宣布它将开源该开发人员工具。并在2020年5月，该公司宣布了其Azure Quantum云计算服务。
英特尔
英特尔作为全球领先的微处理器制造商，也在研究用于量子计算的芯片。该公司采用两种不同的方法。这些领域之一是与荷兰领先的量子计算先驱QuTech合作进行的。 2017年11月17日，英特尔宣布向其荷兰合作伙伴交付17量子位测试芯片。然后，在2018年1月的CES上，该公司宣布交付了称为Tangle Lake的49比特量子测试处理器。
英特尔的第二条量子计算研究完全在公司内部进行，涉及基于称为自旋qubit的技术创建处理器”。这是一项重要的创新，因为自旋Qubit芯片是使用传统的Intel硅制造方法制造的。2018年6月，英特尔宣布已开始测试26针qubit芯片。
英特尔自旋量子位的直径仅为50纳米，即人发宽度的1/1500。这意味着也许十年后，英特尔将能够生产包含数千或数百万个量子位的微型量子处理器。与常规处理器不同，它们需要冷却至接近绝对零。但是潜力确实令人兴奋。根据部分 该公司的目标是在英特尔的量子计算站点上生产十年的量子处理器，并期望该技术在2025年左右进入其“商业阶段”。
D波系统
D-Wave Systems是加拿大量子计算的先驱，并于2007年展示了16量子位的量子计算机。2011年，该公司以1000万美元的价格向美国军事工业公司洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）出售了128量子比特的D-Wave One机器。2013年-向美国宇航局和Google交付了512比特的D波第二波。到2015年，D-Wave凭借其D-Wave 2X突破了1,000量子比特的壁垒，并于2017年1月将其首个2,000量子比特的D-Wave 2000Q出售给了网络安全公司Temporal Defense Systems。
阅读此成就列表时，您可能得出的结论是D-Wave应该成为全球领先的量子计算机制造商。毕竟，这是唯一一家出售此类机器的公司。但是，该公司的工作仍存在争议。这是因为他们的设备基于称为“量子退火”的“绝热”过程，其他先驱者却视其为“限制性”和“死胡同”。例如，IBM正在采用一种“基于门”的量子计算方法，该方法允许它以与晶体管如何控制常规微处理器中的电子流动类似的方式控制量子位。但是D-Wave系统中没有这种控制。
相反，D-Wave量子计算机利用了以下事实：所有物理系统都趋向于具有最小能量的状态。因此，例如，如果您冲泡一杯茶并出差去做-回来时会很冷，因为内含物趋向于最低能量状态。 D-Wave系统中的量子位也容易出现这种情况，因此该公司使用其设备来解决优化问题，这可以表示为“能量最小化问题”。这限制了可能性，但仍允许硬件比经典计算机更快地执行某些算法。您可以观看D-Wave解释其量子计算方法的视频。
2016年8月中的文章《 Physical Review X》报道说，某些算法在D-Wave 2X上的运行速度比单核经典处理器快1亿倍。这项研究的作者之一是Google CTO。所有这些表明，关于D-Wave对于量子计算发展的价值的观点仍然存在争议。
该公司继续推广其量子计算机。在2018年10月，D-Wave启动了一个名为Leap的基于云的量子应用程序框架。它提供对D-Wave 2000Q量子计算机的实时访问，并于2019年3月进行了扩展，以向日本和整个欧洲提供此功能。
里杰蒂
量子计算领域的另一个参与者是一家名为Rigetti的初创公司。该公司已经拥有120多名员工，并通过其称为Forest的开发环境构建了在线可用的19量子位量子计算机。
量子电路
另一家初创公司是量子电路，由量子计算领域的著名教授罗伯特·斯科尔科普夫（RobertSchölkopf）和耶鲁大学的其他同事共同创立。该公司已经筹集了1800万美元的风险投资，并计划在制造可行的量子计算机的竞赛中“击败计算巨头”。
离子Q
IonQ-专门从事阱离子量子计算。该公司声称其技术“结合了无与伦比的物理性能，完美的量子比特复制，光学连接和高度优化的算法”，以“创造出一种既可扩展又功能强大的量子计算机，它将支持多种应用。在各种行业中。” 如果您想了解有关量子计算的更多信息，请访问IonQ网站上的精彩教程。
Xanadu
Xanadu通过将“量子硅光子芯片集成到现有硬件中以创建功能齐全的量子计算”来开发光子量子计算。正如该公司指出的那样，与其他量子比特技术相比，“光子非常稳定，几乎不受热随机噪声的影响。” 我们使用光子芯片以允许极其快速的计算的方式来生成，控制和测量光子。”
霍尼韦尔
霍尼韦尔（Honeywell） 是另一家使用俘获离子量子计算的公司。该公司在业务计算方面拥有丰富的经验。2020年6月，霍尼韦尔宣布了全球性能最高的量子计算机。其余公司对此表示怀疑。但是，尽管如此，这是另一个重要的发展-尤其是因为众所周知美国金融控股公司摩根大通已经在尝试使用该系统开发金融服务应用程序，包括欺诈检测和AI控制的交易。
亚马孙
亚马逊尚未宣布针对量子计算的任何硬件或软件开发。然而，在2019年12月2日，该巨头推出了许多量子亚马逊网络服务。其中包括Amazon Bracket，它使科学家，研究人员和开发人员可以开始试验来自多个硬件供应商的量子计算机。具体来说，客户可以使用Rigetti，Ion-Q和D-Wave Systems的设备，这意味着他们可以试验基于三种不同qubit技术的系统。
除了Bracket，亚马逊还推出了Amazon Quantum解决方案实验室... 它旨在通过使公司与领先专家合作来帮助公司“为量子计算做准备”。因此，亚马逊使用其量子计算产品的关键是充当云代理。也就是说，成为量子计算机制造商与想要使用其功能的制造商之间的中介。
量子计算机软件开发人员
如果没有适当的软件，就连配备最好的量子计算机也无法使用，并且这些机器的许多制造商都在开发自己的。但是，用于量子计算机的第三方软件的数量正在不断增长。
1Q位
1QBit与大型公司和“领先的硬件供应商合作，以解决行业特定的优化，仿真和机器学习挑战”。该公司为经典处理器和量子处理器开发软件。
CQC
Cambridge Quantum Computing开发了量子计算软件，用于解决量子化学，量子机器学习和量子网络安全等领域中的“最棘手的问题”。客户包括来自“一些世界上最大的化学，能源，金融和材料科学组织的公司”的公司，这些公司试图利用量子计算的力量。
QC商品
QC Ware与包括空中客车，宝马和高盛在内的客户以及包括AWS，D-Wave Systems，Google，IBM，Microsoft和Rigetti在内的硬件合作伙伴一起开发“企业量子计算软件和服务”。
Q模拟
QSimulate开发软件以“利用定量建模的能力来解决紧迫的药物和化学问题”。
拉赫科
Rahko创建了旨在使用量子机器学习（Quantum AI）解决量子化学问题的软件。
扎帕塔
Zapata与客户合作开发量子计算机软件，以解决化学，金融，物流，制药，机械工程和材料等领域的复杂计算问题。
量子计算机的应用包括分子建模（也称为量子化学），物流优化，财务建模，密码学和人工智能培训。一些大型企业已经在积极探索量子机器到底可以为他们的研发，产品和服务以及他们的底线做什么。我会给你一些例子。
戴姆勒正与IBM和Google合作，研究如何将量子计算机用于物流，以优化车辆的运输路线或零件流经工厂的情况。该公司还在探索如何使用量子计算机来模拟电池内部的化学结构和反应，以帮助改进电动汽车。
另一个汽车巨头大众汽车正在与Google和D-Wave Systems合作，将量子计算机应用于解决交通优化问题并开发更好的电池。
在金融领域，摩根大通正在与IBM合作研究量子计算机如何帮助设计交易策略，投资组合优化，资产定价和风险分析。另一个金融集团Barclays正在参加IBM Q Network，以查看是否可以使用量子计算机来优化大批量金融交易的结算。
2011年，航空航天巨头洛克希德·马丁成为D-Wave Systems制造的第一台量子计算机的购买者，并一直在探索将该技术用于空中交通管制和系统验证等应用的可能性。空中客车公司正在类似地探索量子计算机如何加速其研究活动，并投资了量子计算机软件公司QC Ware。
同时，埃森哲实验室和生物技术公司Biogen与1QBit合作，探索如何通过使用量子计算机进行分子比较来加速药物发现。2017年9月，IBM使用其7比特硬件对三原子氢化铍分子的结构进行了建模。2017年10月，谷歌和里格蒂（Rigetti）还发布了OpenFermion，这是一个用于在量子计算机上模拟化学过程的程序。
量子未来
我希望本文向您展示了量子计算如何从幻想迅速变为现实。可以合理地假设，在1920年代，量子超级计算机将可以从云中获得，它将以低成本找到实际应用。十年之内，主流的互联网搜索和云AI服务可能会利用量子机器的功能，而大多数用户没有意识到这一点。
对于那些希望了解更多信息的人，这里有一些精选的资源，以获取更多信息：
- 凯文·哈特奈特（Kevin Hartnett），《量子计算的曙光》（Quanta Magazine），2019年6月18日
- Masoud Mohseni 2017年文章“早期量子技术的商业化”
- 文章约翰·普雷斯基尔“量子计算在NISQ时代”跨越，从2018
- IonQ Technology网站
- D-Wave Systems视频解释量子退火
- IBM-Q网站
- Microsoft Quantum计算站点
- Google Quantum AI网站
- 英特尔量子计算新闻博客
- D-Wave Systems网站
- 量子电路网站
- HQS Quantum Simulations网站
在本文的作者Christopher Barnatt所著的“ Digital Genesis ”一书中，并解释了computers.com，您可以阅读有关量子计算的信息，以及与诸如有机计算机之类的未来计算发展相关的更多信息。
