英特尔量子计算负责人谈论开发算法，软件程序和其他尚不存在的技术所需的挑战
这场比赛正在打造世界上第一台有意义的量子计算机，它可以提供这项技术的长期承诺的能力，帮助科学家做出诸如开发奇迹般的新材料，以近乎完美的安全性加密数据并准确预测地球气候如何变化等事情。这样一台机器可能还需要十多年的研究才能开发出来，但IBM，微软，谷歌，英特尔和其他技术巨头们正在不知疲倦地向前推进每一个微小的，渐进的步骤。大多数这些里程碑涉及包装更多的量子位-量子计算机的信息基本单位-输入到量子处理器芯片。但量子计算的道路远不止是亚原子粒子的纠缠那么简单。
量子位可以同时表示0和1，这是物理学中称为叠加的唯一量子现象。这可以让量子一次性进行大量的计算，大大提高计算速度和容量。但是有不同类型的量子比特，并不是所有的量子比特都是平等的。例如，在可编程硅量子芯片中，是1还是0取决于其电子的旋转方向。然而所有的量子比特都非常脆弱，为了保持量子比特稳定，有些量子比特需要的温度约为20毫凯尔文—比太空温度低250倍。
当然，量子计算机不仅仅是它的处理器。这些下一代系统还需要新的算法，软件，通信和许多其他尚未发明的技术，这些技术专门用于利用系统的巨大处理能力，并允许共享或存储计算机的结果。“如果它并不复杂，那么我们就能制造出一台量子计算机了”在英特尔实验室量子硬件总监吉姆·克拉克说。在今年早些时候的美国消费电子展上，英特尔推出了代号为“Tangle Lake”的49-qubit量子处理器。几年前，该公司为量子计算软件创建了一个虚拟测试环境;它利用了强大的“Stampede”“超级计算机（在德克萨斯大学奥斯汀分校）模拟高达42-qubit的处理器。然而，要真正理解如何编写量子计算机软件，他们需要能够模拟数百甚至数千个量子位，Clarke补充道。
克拉克谈到了构建量子计算机的不同方法，为什么它们如此脆弱 - 以及为何这一切都需要这么长时间。
量子计算与传统计算相比如何？
用来比较两者的常见比喻是硬币。在传统的计算机处理器中，晶体管可以是上或下，头或尾。但是如果我问你这枚硬币是头还是尾巴，那么你可能会说这个答案是两个。这就是量子计算机的基础。取而代之的是0或1的常规比特，你有一个同时代表0和1的量子位，直到该量子位停止旋转并进入静止状态。
状态空间 - 或者抽样大量可能组合的能力 - 与量子计算机呈指数关系。进一步拿硬币比喻，想象一下，我手里有两个硬币，我同时在空中折腾它们。虽然它们都在旋转，但它们代表了四种可能的状态。如果我在空中投掷三枚硬币，它们将代表八种可能的状态。如果我有50个硬币并将它们全部扔在空中，并问你有多少个状态代表，那么答案将会超过当今世界上最大的超级计算机所能达到的状态（2的50次方）。三百个硬币 - 仍然是一个相对较小的数字 - 将超过宇宙中所有的粒子数量。
为什么量子比特如此脆弱？
现实情况是，硬币或者量子比特币最终会停止旋转并坍缩成特定的状态，无论是头部还是尾部。量子计算的目标是让他们长时间处于多重状态的叠加状态。想象一下，我有一枚硬币在桌子上旋转，有人在晃动桌子。这可能会导致硬币停止得更快。噪声，温度变化，电磁波动或振动 - 所有这些事情都会干扰量子位的操作并导致量子数据丢失。稳定某些类型的量子位的一种方法是使它们保持非常冷。我们的量子比特在稀释冰箱中运行，其大小约为55加仑桶，并使用特殊的氦气同位素将其冷却至接近绝对零度（大约-273摄氏度）。
不同类型的量子位彼此有何不同？
量子计算中可能有不少于六七种不同类型的量子比特，其中可能有三四种被积极考虑用于量子计算。不同之处在于你如何操纵量子位，以及如何让他们相互交谈。你需要两个量子比特来互相交谈才能进行大量的“纠缠”计算，而不同的量子比特类型有不同的纠缠方式。我描述为需要极端冷却的类型称为超导系统，其中包括我们的Tangle Lake处理器以及由Google，IBM和其他公司构建的量子计算机。另一种方法是利用受激离子的振荡电荷 - 通过激光束保持在真空室中 - 起到量子位的作用。英特尔没有开发被困离子系统，因为他们需要深刻的激光和光学知识，目前技术还不能满足这种类型计算机的要求。
也就是说，我们正在研究第三种类型的硅自旋量子位，它看起来与传统的硅晶体管完全一样，但使用单电子。自旋量子位使用微波脉冲来控制电子的自旋以传递其量子能量。这种技术现在比超导量子比特技术少了几年，但也许有更大的扩展和商业化途径。
技术上如何做到？
第一步是制作这些量子芯片。与此同时，我们实际上在超级计算机上制作了一个模拟器。当我们运行英特尔量子模拟器，需要5万亿个晶体管来模拟42个量子位。它可能需要一百万或更多的量子比特来达到商业的相关性，但从这样的模拟器开始，你可以建立你的基本架构，编译器和算法。然而，直到我们的物理系统有几百到几千个量子位，我们不清楚我们可以运行什么类型的软件或应用程序。有两条途径可以扩大系统的规模：一条是增加更多的量子位，这会占用更多的物理空间。问题是，如果我们的目标是拥有一百万比特的计算机，那么这个数学在缩放方面效果不佳。另一种途径是缩小集成电路的内部尺寸，但这种方法对于超导系统来说不太可能，而超导系统往往体积很庞大。
除此之外，我们希望提高量子比特的质量，这将帮助我们测试算法并构建我们的系统。质量指的是随着时间的推移信息传递的精确度。虽然该系统的许多部分将提高质量，但最大的进步是通过材料工程和微波脉冲和其他控制电子设备的精度提高来实现。
美国众议院数字商务和消费者保护小组委员会最近召开了一次关于量子计算的听证会。立法者想知道这项技术是什么？
如果我们看一看量子计算机，有些人会说，这是未来100年的技术。美国和其他国家的政府想拥有它是很自然的。欧盟拥有数十亿美元的旗舰资金，将资助整个欧盟的量子研究。去年秋天，中国宣布了一个价值100亿美元的研究机构，专注于量子信息科学。问题是：我们在国家层面上可以做些什么呢？国家量子计算战略可能导致大学，政府和行业共同开发技术的不同方面。从通信或软件架构的角度来看，标准当然是有意义的。劳动力也是一个问题;在我开设量子计算专家的职位时，可能有三分之二的申请人来自美国以外
量子计算可能对人工智能的发展产生什么样的影响？
通常所提出的第一个量子算法是用于安全性（如密码学）或化学和材料建模。这些是传统计算机基本难以解决的问题。也就是说，有许多论文以及初创公司和大学团体正在使用量子计算机来研究机器学习和人工智能等问题。鉴于AI开发的时间框架，我希望专门针对AI算法进行优化的传统芯片比量子芯片对技术有更多的影响。尽管如此，量子计算机无疑是人工智能的最佳平台。
我们什么时候可以看到有效的量子计算机解决实际问题？
第一个晶体管于1947年推出；第一个集成电路是在1958年；英特尔的第一个微处理器 - 只有约2500个晶体管 - 直到1971年才研发成功。这些里程碑中的每一个都相隔十多年。人们认为量子计算机即将到来，但历史显示这些进步需要时间。如果10年后我们有一台量子计算机，它有几千个量子位，那肯定会改变世界，就像第一台微处理器那样。我们和其他人一直在说这需要10年之功。有人说这只是三年之后，我认为他们不了解这项技术有多复杂。
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