近日，谷歌實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的研究引起了全球?qū)α孔佑嬎愕膹V泛關(guān)注，圈內(nèi)人士也認(rèn)為這是該領(lǐng)域的里程碑事件。但量子計算領(lǐng)域的研究，存在著大量的問題。

在前不久發(fā)布的《Nature》期刊上，莫斯科斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究所深層量子實(shí)驗室的副教授和實(shí)驗室主任 Jacob D. Biamonte 等人的一篇文章介紹了全球量子計算機(jī)研究的現(xiàn)狀：企業(yè)急于變現(xiàn)，耗盡大學(xué)人才；投資傾向于硬件，軟件投資不足；地緣政治升溫，阻礙學(xué)術(shù)交流……這些問題已經(jīng)阻礙了量子計算的發(fā)展，下一步我們該何去何從？

Jacob D. Biamonte 、Pavel Dorozhkin 和 Igor Zacharov 曾發(fā)出過這樣的警告：對金錢的追逐正在耗盡大學(xué)的人才，破壞這一領(lǐng)域并切斷科學(xué)探索之路。 

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一位研究人員正在研究用于冷卻量子加速器的裝置。圖源：D-Wave Systems

在短短幾年內(nèi)，量子計算領(lǐng)域迅速從一個學(xué)術(shù)死水區(qū)變成公眾和私人廣泛關(guān)注的課題。「通用」量子計算機(jī)的終極目標(biāo)是能夠進(jìn)行一切計算，同時排除噪聲、故障和干擾。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有幾十年的路要走，但數(shù)十億美元正投入到初步成果的商業(yè)化中。

美國 IBM 技術(shù)公司和加拿大 D-Wave Systems 公司已經(jīng)在銷售量子增強(qiáng)計算器。谷歌、微軟和英特爾計劃在三到五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這些早期設(shè)備應(yīng)該可以比傳統(tǒng)計算機(jī)更快地執(zhí)行某些任務(wù)。然而，它們的通用性和功能都不如通用量子計算機(jī)，而且仍然會受到誤差和噪聲的影響。如果能夠克服這兩個技術(shù)挑戰(zhàn)，機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化等領(lǐng)域可能會受益。

然而，對金錢的追逐正在破壞這一領(lǐng)域。企業(yè)正爭先恐后地組建龐大的研究團(tuán)隊，耗盡大學(xué)的人才資源。數(shù)以百計的初創(chuàng)企業(yè)正在為政府資助研究的產(chǎn)品申請專利，切斷了研究通道。

量子計算的公共資金也在爆發(fā)式增長。但它是不均衡的，并且偏向于硬件。北美機(jī)構(gòu)已占據(jù)主導(dǎo)地位，并推動該領(lǐng)域朝著適合它們的方向發(fā)展。例如，他們專注于超導(dǎo)體技術(shù)。缺乏大型實(shí)驗室和基礎(chǔ)設(shè)施的研究人員發(fā)現(xiàn)很難與之競爭。隨著國家安全和商業(yè)利益的升溫，地緣政治壁壘也在不斷上升。

所有這些都發(fā)生在一個關(guān)鍵時刻。摩爾定律指出，集成微芯片電路中的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番，現(xiàn)在卻停滯不前。機(jī)器學(xué)習(xí)正在向全新的行業(yè)敞開大門。我們不能為「量子優(yōu)勢」的到來等上幾十年，期待那時的量子處理器解決任何現(xiàn)有經(jīng)典計算機(jī)都無法解決的問題。這與生物技術(shù)等其他領(lǐng)域形成了鮮明對比。在生物技術(shù)領(lǐng)域，CRISPR 基因編輯的革命性技術(shù)出現(xiàn)在 20 年前，該領(lǐng)域似乎在 20 世紀(jì) 90 年代達(dá)到了頂峰。

我們呼吁學(xué)界和業(yè)界科學(xué)家以開放的科學(xué)精神開發(fā)量子應(yīng)用?；A(chǔ)研究不能孤立地進(jìn)行，也不能由政治議程來指導(dǎo)。這些巨額投資和由此產(chǎn)生的設(shè)備應(yīng)該為全人類服務(wù)，就像科學(xué)本身一樣。

全球量子生態(tài)

支撐量子計算機(jī)的大多數(shù)概念都來自政府資助的研究。由于量子計算具有很大的潛在價值，許多政府正在加大支持力度。

少數(shù)幾個國家——美國、英國、日本、瑞典、新加坡、加拿大和中國正在領(lǐng)跑。2017 年，各國承諾每年投入 1 億至 3 億美元用于量子計算研究；英國自 2014 年以來的政府和私人投資總額現(xiàn)已超過 10 億美元。2018 年，美國和歐盟都推出了 10 億美元的巨額計劃：美國國家五年量子計劃和歐盟十年量子技術(shù)旗艦計劃。中國計劃在 2020 年開啟世界上最大的量子研究實(shí)驗室，耗資 100 億美元。

其他國家也在效仿。印度和韓國都打算每年投資數(shù)千萬美元。俄羅斯還將量子技術(shù)列入其十大國家技術(shù)計劃。這些國家都在建立一些領(lǐng)先的中心，以協(xié)調(diào)政府和私有機(jī)構(gòu)的研究和開發(fā)工作。在第一階段，大型項目會獲得高達(dá) 3 億美元的資金。

但是，這些投資產(chǎn)生的很多結(jié)果都不了了之。企業(yè)利益和國際政治氣候的降溫使得科學(xué)家更難合作和分享知識。封閉的領(lǐng)域會帶來無意義的重復(fù)，研究者浪費(fèi)了時間，最后卻走入了死胡同。

例如，美國國家情報總監(jiān)辦公室資助的國家科學(xué)院在 2019 年的一份報告中強(qiáng)調(diào)了量子計算對國家安全的影響。由美國能源部資助的科學(xué)家現(xiàn)在被禁止與來自中國和俄羅斯等 30 多個國家的研究人員合作。

這種陰影正在影響我們在莫斯科斯科爾科沃科技學(xué)院（Skolkovo Institute of Science and Technology）的研究，這是一所英語授課的高級研究型大學(xué)，2011 年與麻省理工學(xué)院合作成立。我們選擇在 Skoltech 公司工作，是因為那里的國際、世界級的協(xié)作氛圍。以我們的出身為例：J.D.B. 是美國人，P.D. 是俄羅斯人，I.Z. 是一個有俄羅斯血統(tǒng)的荷蘭公民。盡管我們的密切合作者仍在繼續(xù)與我們溝通，但俄羅斯和歐盟之間的舊研究協(xié)議正在失效，并且沒有討論續(xù)簽問題。歐盟量子旗艦參與者與美國、俄羅斯或中國科學(xué)家之間的伙伴關(guān)系現(xiàn)在需要特別談判。

研究空白

量子技術(shù)有可能成為另一場贏家通吃的「登月競賽」。北美已經(jīng)在量子硬件領(lǐng)域建立了不可逾越的領(lǐng)先地位。加州的 Google 和加拿大的 D-Wave 等公司仍在無國界地開放自家機(jī)器的訪問權(quán)限，但只能通過云端訪問。沒人會碰處理器。

歐洲政界人士擔(dān)心他們錯過了這艘科技快船。該地區(qū)只有一家大型計算機(jī)硬件制造商（總部位于法國的 Atos/Bull）擁有量子技術(shù)項目。歐盟量子旗艦計劃推動了硬件的開發(fā)，類似于美國正在開發(fā)的硬件；此外，他們還在研究美國尚未廣泛探索的一些方法。但歐盟委員會在第一輪中未能為量子應(yīng)用或算法研究撥出大筆款項——我們認(rèn)為，這是一個重大疏漏。那些支持旗艦計劃的人表示，他們將在隨后的幾輪撥款中加大對量子軟件的投資。

許多研究人員希望公司能填補(bǔ)應(yīng)用的空白。但企業(yè)對研究量子信息處理的基本理論興趣不大，并且它們往往是孤立運(yùn)營的。這意味著，在這個早期階段，初創(chuàng)企業(yè)的激增和量子軟件的商業(yè)化可能會阻礙理論方法和量子軟件工具的發(fā)展。

過時的理論和假設(shè)也阻礙了這一領(lǐng)域的發(fā)展。量子增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用范圍是有限的，并且還沒有被規(guī)劃出來。即使是已知的用途，例如對機(jī)器學(xué)習(xí)的好處，人們也很難理解。這些設(shè)備可能無法提供預(yù)期的改進(jìn)。教科書上的算法（如 Shor 的量子因子分解算法或 Grover 的搜索算法）在沒有錯誤修正的情況下似乎不適用于非理想機(jī)器。程序員是否可以編寫更好的代碼，使其能夠在受噪聲影響的實(shí)際設(shè)備上工作？

下一步怎么走？

學(xué)術(shù)研究者必須更全面地描繪出量子計算的概念和應(yīng)用空間。這是一個富有成效的時刻，可以解決業(yè)界和初創(chuàng)企業(yè)都無法解決的難題。在有噪聲的情況下，這些設(shè)備能走多遠(yuǎn)？會不會有一些發(fā)展停滯，導(dǎo)致投資枯竭？

政府應(yīng)該將更多資金投入到量子軟件。實(shí)驗家們樂于為建造一臺可能獲得諾貝爾獎的量子處理器投入大筆資金。量子程序員同樣應(yīng)該自信地說出他們面臨的巨大挑戰(zhàn)。贊助商也需要明白，這是一場漫長的比賽，需要采取多種方式。即使硬件規(guī)模擴(kuò)大了，我們可能仍然不確定該如何處理它。

工業(yè)界，特別是初創(chuàng)企業(yè)，應(yīng)該與大學(xué)更緊密地合作。公司可以為小型理論項目提供資金，并投資該領(lǐng)域的基本理論研究。

國際合作應(yīng)該受到保護(hù)。盡管存在政治分歧，各國政府仍應(yīng)努力保持科學(xué)協(xié)議不受影響?？茖W(xué)家和投資者必須尊重這樣一個事實(shí)：研究是全球性、國際性和開放性的。研究人員遍布全球各地。我們最終的工作背后有許多隨機(jī)因素。僅僅因為一個人跨越了國界就斷絕關(guān)系對任何人都沒有好處。

中等尺寸的量子處理器很快就會出現(xiàn)（盡管仍然會充滿噪聲）。量子軟件是否就緒？或者，公司會因為沒有投資驅(qū)動設(shè)備的算法和想法而自責(zé)嗎？