量子科技全是炒作吗？

2024-05-02 04:43:09

光子盒研究院出品

导读：本文作者是巴黎索邦大学物理学博士和法国工程师学院工商管理硕士Rhea Moutafis。

2019年，推特上出现了一个名为Quantum Bullshit Detector的神秘账号，并开始评论量子领域的各种新闻。顶级大学关于量子科技的成果公告、行业预测和讲座都收到了一句评论：

“胡说八道。(Bullshit.)”

Quantum Bullshit Detector推特主页

尽管这个账号有些莫名其妙，但它似乎并不是一个纯粹的玩笑。专家和记者都在猜测谁是幕后黑手。这个人似乎非常熟悉一些术语，这意味着肯定是量子界内部的人。由于参与量子技术的人几乎都是科学家，他们是一群喜欢辩论的人，但是这个账号简洁的风格和不愿辩论的态度使得这个谜团更加令人费解。

几个月后，德州大学奥斯汀分校David J. Bruton计算机科学教授Scott Aaronson透露自己是Quantum Bullshit Detector背后的人。一家新兴的量子公司在2021年收购了这个账户。不久之后，它关闭了运营。

作为量子计算领域的学者，多年来，Aaronson一直都在警告“量子领域的过度炒作”。

此外，许多不同的声音都表达了广泛的意见。一些人认为整个量子领域都是一个巨大的骗局，而另一些人则假设在未来几十年内我们可能看不到重大突破，还有一些人说，人们过于关注一些量子计算机有多少量子比特，而对这些量子比特的质量关注太少。

将几十年来建立在坚实科学基础上的充满希望的技术前沿视为纯粹的炒作似乎有些矫枉过正。尽管如此，随着近年来全世界对量子技术的公共和私人投资额的飙升，给这些警告的声音留有发言的余地是有意义的。尽管不太可能，但过度的贪婪和集体思维让决策者和私人投资者在没有尽职调查的情况下轻易开出支票也并非绝无可能。那么，量子只是炒作，还是我们应该相信它的变革潜力？

几乎每天都有这样的消息，量子公司筹集了数百万美元资金，或者其中一家公司已经取得了另一项突破。对于没有量子物理学或相关领域背景的人来说，这可能看起来像一个巨大的骗局，随时可能自爆。量子领域做出的承诺——从开发更好的药物到为金融业开发更好的软件，再到变革密码技术——似乎太牵强了，而且无处不在。

无论看起来多么牵强，如果量子计算机的一些关键问题得到解决，所有这些承诺都将实现。但正是这些关键问题让游戏变得复杂。

要使量子计算机可用，它需要大约一百万个量子比特。量子比特是一种量子存储单位，类似于经典计算机中的比特。最大的问题是，量子比特极度不稳定且容易出错。在写这篇文章的时候，一个量子比特存储数据的记录只有9秒，甚至得到几百个无错误的量子比特也是一个巨大的壮举。

然而，最近的发展确实令人鼓舞。这些包括但不限于，将纳米结构用于量子电子器件[1]，从数学上证明量子人工智能的可行性[2]，以及建造迄今为止最大规模的量子计算机[3]。如果像过去几年一样继续进步，到这个十年结束时，我们将会很顺利地进入量子计算时代。

MIT-哈佛团队的256比特量子模拟器

我确实理解，对于一个对量子计算领域不熟悉的人来说，关于量子计算的预测是多么离奇。话说回来，以我个人的经验，给外行讲解高等物理学总让我觉得自己有点像是一个试图指导新手的魔术师。无论这些理论听起来多么疯狂，但它们都通常是当今技术所依赖的基础。

举个例子，如果没有半导体物理，你将无法在你的设备上阅读这篇文章。计算机和大多数其他电子设备的组成部分是晶体管。

晶体管充当开关，对计算机的所有数据进行编码。例如，字母A在二进制代码中表示为01000001；这是8个晶体管，其中0表示关闭，1表示打开。晶体管又是由半导体制成的。如果物理学家在上个世纪中叶还没有开始痴迷于半导体，我们今天将生活在一个非常不同的时代——一个没有电脑和其他电子设备的时代。

毫无疑问，量子科技的承诺、巨额资金和政府的大力支持正在给该领域带来前所未有的压力。但我的预测是，它将在这种压力下茁壮成长，而不是崩溃。

我感到乐观的原因很简单：量子技术已经在使用了！例如，正电子发射断层扫描是扫描人体各部位的标准医疗程序。原理是通过静脉注射少量放射性物质，然后检测其放射性衰变。

在这种放射性衰变中，一个正电子与一个电子碰撞。在碰撞过程中，这两个粒子变成两个纠缠的光子。虽然这听起来可能很奇怪，但这只是意味着两个制造光的粒子在量子层面相互连接。

光子及其纠缠最终被探测器捕获。因为我们知道它们在碰撞点以180°角度相互发射，所以我们可以根据光子在探测器中的位置来计算这个点在哪里。所有匹配光子的总和，返回到它们的碰撞位置，然后成为身体部位的图像。

正电子发射断层扫描从20世纪70年代就开始使用了。但是，它还是使用了量子技术！

量子技术最近的一个产物是随机数。尽管用一台未来的超级计算机来制造一堆完全随机的数字听起来可能很愚蠢，但这一原理是许多现代密码学和统计模拟的核心。量子计算机非常擅长制造随机数，因为量子计算机中发生的量子态的测量本质上是随机的。

瑞士ID Quantique公司出售其在量子计算机上生成的随机数，它是目前少数几个盈利的量子公司之一。相比之下，第一家专注于量子计算的上市公司IonQ预计到2024年或2025年才会有可观的收入或利润。总体而言量子科技仍处于早期发展阶段。

IDQ的量子随机数发生器芯片

正电子发射断层扫描和随机数证明了量子技术已经投入使用，并正在盈利。由于在构建更多更好的量子比特、开发量子软件方面的进步，以及大量资金和人才被吸引到量子领域，并使这些突破成为可能，我们预计，未来十年还会出现几十种用例。

最近，这一领域最令人兴奋的突破之一来自日本筑波大学。那里的研究人员成功演示了称作“自旋锁定”[4]的量子技术，可以更精确地发现金刚石中的氮-空位(NV)缺陷。这项技术可以推广到其他材料，因此可能有助于推进材料科学的许多项目。包括设计更好的电脑电池、更好的太阳能电池以及更好的日常材料，例如衣服和玩具。

牛津大学和伯明翰大学的研究人员也利用量子技术制造冷原子激光器[5]。这些可以帮助我们制造出比现在更精确的原子钟。这可能有助于GPS等技术变得更加精确，也可能有助于探索更多关于暗物质和引力波的信息。

最后，来自麻省理工学院和哈佛大学的物理学家成功地制造了一台256量子比特的量子计算机[3]。这是一个巨大的里程碑，因为尽管距离我们希望在未来看到的一百万个量子比特还很远，但这是我们迄今为止最接近的一个。

由于可用量子比特的数量预计将呈指数增长，这一发展是我们可能在2020年代末获得大规模量子计算机的另一个迹象。

谷歌量子计算路线图

我们预计，在未来几年中，量子比特的数量将会进一步增加。同样令人兴奋的是量子软件的出现。目前，该领域总投资的90%以上被量子硬件公司占据。但我们想要使用所有这些资源，就需要量子软件。

和许多专家一样，我预计在这十年里，我们将在量子机器学习、量子模拟和量子启发计算方面取得突破。这可能有助于制造更好的材料、更好的药物和更精确的全球定位系统，以及其他好处。

由于自旋锁定技术[4]的发展，材料科学的进步有望在不久的将来实现。这可能会对化学产品和材料制造产生影响。目前，化学研究和工程主要是实验性的，但在量子计算机的帮助下，我们可以微调分子的性质，而无需昂贵的反复试验过程。

这项技术还延伸到了药物发现领域。不少制药公司已经开始雇佣量子专家。这些研究人员正在建立算法和必要的基础设施，以便能够模拟药物分子及其在人体内的作用。在未来，因为量子计算机的预测能力，可能有助于减少在皮氏培养皿中费力探测分子的时间，甚至可能缩短临床试验。

除了制药，金融业也将从量子计算中获得巨大收益。量子算法特别擅长解决金融领域普遍存在的优化问题。例如，考虑一个投资组合。投资者可能希望通过选择正确的股票、债券和其他金融产品组合来实现回报最大化。目前，这类问题可以通过检查每种可能的产品组合并计算回报来解决。但在量子计算中，解决方案是类似的，但要快得多。这一创新可以带来更好的投资组合管理，也可以带来更好的保险定价优化和更好的信用评分。这可能有助于投资者和养老基金获得更好的回报，被保险人获得更公平的保险价格，许多人获得更准确的信用评分。

此外，在未来，我们还可以期待密码技术的巨大进步。在某种程度上，这是一把双刃剑。量子计算机可能能够破解当今设备的许多密码，但人们也可以使用量子计算机使重要密码更加安全，例如保护银行账户或敏感健康数据的密码。

未来几十年内，量子技术可能会给许多行业带来巨大的进步。许多消费者将从中受益，但由于他们实际上看不到更多细节的技术点，可能产生误解。量子服务将深深嵌入产品本身，人们不太可能在客厅使用量子计算机。

如果你正在负责公司的一个或多个项目，你可能会问量子计算是否适合你。评估这个问题非常复杂，推荐的方法如下：

●确定计算过程中最大的瓶颈在哪里。如果这些任务属于模拟或优化问题，量子计算可能会对你有用。

●评估消除这个瓶颈对你有多大价值。你可以考虑分配给量子和其他技术的预算有多少。

●你的瓶颈是低数据(low-data)问题？量子技术擅长小数据集的所有方面。对于大数据，经典计算机更好。

●对于需要大数据的问题，也有一些子问题不需要太多数据。如果是这样，量子计算可能会对这一小部分有所帮助。在这种情况下，重新评估你能分配的预算。

●有没有量子解决方案可以解决你的问题？如果有，它的价格是多少？如果目前还没有解决方案，那么在不久的将来有这种方案的可能性有多大，成本有多高？

当然，量子计算是否适合你的某个项目将取决于你的个人情况。但是问这些问题可能会帮助你在竞争之前发现机会。

尽管量子世界目前面临着一些问题，比如量子比特数量太少以及需要更多的量子纠错，但我很有信心我们最终会实现这一目标。

当然，如果量子像人工智能一样被大肆炒作，当人们对其背后的技术没有真正的了解时，他们会热议，那么问题可能会出现。因此，你需要做好尽职调查，雇佣真正知道自己在说什么的人，而不是把“量子”这个词放在你公司的每一份简报和每一个产品中。

然而，我并没有看到这种过度炒作的发生。相反，我看到地球上一些最聪明的人在研究可能给许多行业带来变革的技术。

量子的独特之处在于，用户看不到它。其他新兴技术，如虚拟现实、物联网或者在某种程度上的人工智能，对日常消费者来说都是可见的。另一方面，量子技术将通过算法和云服务深藏在产品内部。

这就是为什么量子炒作如果真的发生了，将是危险的：如果每个人都把“量子”放在任何类似量子的东西上——类似于几年前加密和比特币所发生的事情——这就有可能让这个行业看起来像一个骗局。

不过，对量子科技来说，幸运的是，近年来资金投入和公众兴趣都非常高，就我所知，它们绝不是不成比例的。

然而，保持冷静仍然很重要，同时需要警惕过度炒作。危害是真实存在的。考虑到公司、政府和公民的潜在收益，我们真的不希望未来几年量子科技看起来像个骗局。

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