英特爾量子計算負責人談論開發算法，軟件程序和其他尚不存在的技術所需的挑戰
這場比賽正在打造世界上第一臺有意義的量子計算機，它可以提供這項技術的長期承諾的能力，幫助科學家做出諸如開發奇蹟般的新材料，以近乎完美的安全性加密數據並準確預測地球氣候如何變化等事情。這樣一臺機器可能還需要十多年的研究才能開發出來，但IBM，微軟，谷歌，英特爾和其他技術巨頭們正在不知疲倦地向前推進每一個微小的，漸進的步驟。大多數這些里程碑涉及包裝更多的量子位-量子計算機的信息基本單位-輸入到量子處理器芯片。但量子計算的道路遠不止是亞原子粒子的糾纏那麼簡單。
量子位可以同時表示0和1，這是物理學中稱為疊加的唯一量子現象。這可以讓量子一次性進行大量的計算，大大提高計算速度和容量。但是有不同類型的量子比特，並不是所有的量子比特都是平等的。例如，在可編程硅量子芯片中，是1還是0取決於其電子的旋轉方向。然而所有的量子比特都非常脆弱，為了保持量子比特穩定，有些量子比特需要的溫度約為20毫凱爾文—比太空溫度低250倍。
當然，量子計算機不僅僅是它的處理器。這些下一代系統還需要新的算法，軟件，通信和許多其他尚未發明的技術，這些技術專門用於利用系統的巨大處理能力，並允許共享或存儲計算機的結果。“如果它並不複雜，那麼我們就能製造出一臺量子計算機了”在英特爾實驗室量子硬件總監吉姆·克拉克說。在今年早些時候的美國消費電子展上，英特爾推出了代號為“Tangle Lake”的49-qubit量子處理器。幾年前，該公司為量子計算軟件創建了一個虛擬測試環境;它利用了強大的“Stampede”“超級計算機（在德克薩斯大學奧斯汀分校）模擬高達42-qubit的處理器。然而，要真正理解如何編寫量子計算機軟件，他們需要能夠模擬數百甚至數千個量子位，Clarke補充道。
克拉克談到了構建量子計算機的不同方法，為什麼它們如此脆弱 - 以及為何這一切都需要這麼長時間。
量子計算與傳統計算相比如何？
用來比較兩者的常見比喻是硬幣。在傳統的計算機處理器中，晶體管可以是上或下，頭或尾。但是如果我問你這枚硬幣是頭還是尾巴，那麼你可能會說這個答案是兩個。這就是量子計算機的基礎。取而代之的是0或1的常規比特，你有一個同時代表0和1的量子位，直到該量子位停止旋轉並進入靜止狀態。
狀態空間 - 或者抽樣大量可能組合的能力 - 與量子計算機呈指數關係。進一步拿硬幣比喻，想象一下，我手裡有兩個硬幣，我同時在空中折騰它們。雖然它們都在旋轉，但它們代表了四種可能的狀態。如果我在空中投擲三枚硬幣，它們將代表八種可能的狀態。如果我有50個硬幣並將它們全部扔在空中，並問你有多少個狀態代表，那麼答案將會超過當今世界上最大的超級計算機所能達到的狀態（2的50次方）。三百個硬幣 - 仍然是一個相對較小的數字 - 將超過宇宙中所有的粒子數量。
為什麼量子比特如此脆弱？
現實情況是，硬幣或者量子比特幣最終會停止旋轉並坍縮成特定的狀態，無論是頭部還是尾部。量子計算的目標是讓他們長時間處於多重狀態的疊加狀態。想象一下，我有一枚硬幣在桌子上旋轉，有人在晃動桌子。這可能會導致硬幣停止得更快。噪聲，溫度變化，電磁波動或振動 - 所有這些事情都會干擾量子位的操作並導致量子數據丟失。穩定某些類型的量子位的一種方法是使它們保持非常冷。我們的量子比特在稀釋冰箱中運行，其大小約為55加侖桶，並使用特殊的氦氣同位素將其冷卻至接近絕對零度（大約-273攝氏度）。
不同類型的量子位彼此有何不同？
量子計算中可能有不少於六七種不同類型的量子比特，其中可能有三四種被積極考慮用於量子計算。不同之處在於你如何操縱量子位，以及如何讓他們相互交談。你需要兩個量子比特來互相交談才能進行大量的“糾纏”計算，而不同的量子比特類型有不同的糾纏方式。我描述為需要極端冷卻的類型稱為超導系統，其中包括我們的Tangle Lake處理器以及由Google，IBM和其他公司構建的量子計算機。另一種方法是利用受激離子的振盪電荷 - 通過激光束保持在真空室中 - 起到量子位的作用。英特爾沒有開發被困離子系統，因為他們需要深刻的激光和光學知識，目前技術還不能滿足這種類型計算機的要求。
也就是說，我們正在研究第三種類型的硅自旋量子位，它看起來與傳統的硅晶體管完全一樣，但使用單電子。自旋量子位使用微波脈衝來控制電子的自旋以傳遞其量子能量。這種技術現在比超導量子比特技術少了幾年，但也許有更大的擴展和商業化途徑。
技術上如何做到？
第一步是製作這些量子芯片。與此同時，我們實際上在超級計算機上製作了一個模擬器。當我們運行英特爾量子模擬器，需要5萬億個晶體管來模擬42個量子位。它可能需要一百萬或更多的量子比特來達到商業的相關性，但從這樣的模擬器開始，你可以建立你的基本架構，編譯器和算法。然而，直到我們的物理系統有幾百到幾千個量子位，我們不清楚我們可以運行什麼類型的軟件或應用程序。有兩條途徑可以擴大系統的規模：一條是增加更多的量子位，這會佔用更多的物理空間。問題是，如果我們的目標是擁有一百萬比特的計算機，那麼這個數學在縮放方面效果不佳。另一種途徑是縮小集成電路的內部尺寸，但這種方法對於超導系統來說不太可能，而超導系統往往體積很龐大。
除此之外，我們希望提高量子比特的質量，這將幫助我們測試算法並構建我們的系統。質量指的是隨著時間的推移信息傳遞的精確度。雖然該系統的許多部分將提高質量，但最大的進步是通過材料工程和微波脈衝和其他控制電子設備的精度提高來實現。
美國眾議院數字商務和消費者保護小組委員會最近召開了一次關於量子計算的聽證會。立法者想知道這項技術是什麼？
如果我們看一看量子計算機，有些人會說，這是未來100年的技術。美國和其他國家的政府想擁有它是很自然的。歐盟擁有數十億美元的旗艦資金，將資助整個歐盟的量子研究。去年秋天，中國宣佈了一個價值100億美元的研究機構，專注於量子信息科學。問題是：我們在國家層面上可以做些什麼呢？國家量子計算戰略可能導致大學，政府和行業共同開發技術的不同方面。從通信或軟件架構的角度來看，標準當然是有意義的。勞動力也是一個問題;在我開設量子計算專家的職位時，可能有三分之二的申請人來自美國以外
量子計算可能對人工智能的發展產生什麼樣的影響？
通常所提出的第一個量子算法是用於安全性（如密碼學）或化學和材料建模。這些是傳統計算機基本難以解決的問題。也就是說，有許多論文以及初創公司和大學團體正在使用量子計算機來研究機器學習和人工智能等問題。鑑於AI開發的時間框架，我希望專門針對AI算法進行優化的傳統芯片比量子芯片對技術有更多的影響。儘管如此，量子計算機無疑是人工智能的最佳平臺。
我們什麼時候可以看到有效的量子計算機解決實際問題？
第一個晶體管於1947年推出；第一個集成電路是在1958年；英特爾的第一個微處理器 - 只有約2500個晶體管 - 直到1971年才研發成功。這些里程碑中的每一個都相隔十多年。人們認為量子計算機即將到來，但歷史顯示這些進步需要時間。如果10年後我們有一臺量子計算機，它有幾千個量子位，那肯定會改變世界，就像第一臺微處理器那樣。我們和其他人一直在說這需要10年之功。有人說這只是三年之後，我認為他們不瞭解這項技術有多複雜。
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