量子应用商店即将到来

翻译：刘哲人 来源：中国数字科技馆

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当前，量子计算研究人员和爱好者必须要了解量子编程。然而，很快他们将仅仅需要一个量子应用商店和一行代码。量子应用商店不是手机中那种应用程序商店，而是类似于当今的代码存储库，例如GitHub（一种数字代码库，软件开发者在其中可以将自己编写的代码分享给其他人）。并且在不久的将来，开发者可以在其中放入他们的代码，从而调用量子计算机来处理常规计算机无法完成的特定任务。

我预计量子计算机将经历与传统计算机这几十年来相同的发展阶段，但相比之下其发展速度要快得多（或将在十年之内）。

十年前，只有几十个研究小组可以进行量子编程。2016年，IBM发布了在线平台Quantum Experience，使每个人都可以通过云免费访问量子处理器，这一数字在一周之内就增长到数千。四年后，进行量子算法实验的程序员数量达到了数十万人。量子算法实验又被称作量子电路，即定义数据操作和量子计算机工作命令的一系列指令。很快，IT界数百万软件开发者将开始着手这项工作，并设计出可供所有人使用的大量量子电路。

这种演变将与传统计算机过去几十年的发展阶段类似，但是要快得多（十年之内）。还记得艾伦·图灵吗？他于1936 年发展了软件理论，开启了计算机科学和软件工程。四十年后，仍然只有那些知道如何编写软件的人才能使用大型计算机。1970年代，当IBM与苹果等公司开始制造销售第一代个人计算机时，仍通常是由软件爱好者来编写可运行的应用程序。

但是很快，软件业务开始占据主导地位，并且随着个人计算机越来越普及，用户可以在不具备过硬计算机知识的情况下组建自己的软件栈。我们在2000年代的移动设备上看到了同样的情况：没多久，没有编程经验的人们也可以创建应用和设计网站。如今，他们要做的就是将简单的代码行输入到模板程序中，而后台会自动运行。

量子计算机的发展也是一样。首先是发烧友程序员；然后是开发者；最终形成具有开源和版权保护的量子电路存储库或代码库，成为当今软件生态系统的自然的扩展。

接下来一步不可避免，这也是许多公司和大学实验室过去几年的重点关注点：构建量子位。这些量子信息的基本单位类似于我们更熟悉的经典计算机中的位，即值可以为1或0（真或假）的简单二进制数字。量子位则可以处于0和1的叠加状态。在我们的日常生活中，除了波，我们看不到任何物体的叠加。但在极其微小的范围内，粒子可以同时处于多种状态。具有两个自旋方向的原子核可以做到这一点，具有两个极化方向的光子可以做到这一点——而对于IBM量子计算机来说，量子位通过超导电流制成。

如今的量子位还没有足够高的性能表现来让量子计算机在实际任务中胜过传统计算机。但量子计算机正在迅速进化。我们在制作量子位的技术方面已经非常成熟，后续步骤的理论也很扎实。我们正在研究制造噪声极低（尽可能不受外部干扰影响）量子位的路线图。任何噪声都会破坏量子域，使脆弱的叠加态坍缩为量子位的最终状态（始终为0或1）。这类低噪量子位一旦达到足够数量（几百个），我们就能应用特定的纠错代码来修复或减轻剩余的问题，使其能够运行更复杂的量子电路。

当仅有的几十个量子位将我们限制在中等规模的电路时，全世界的量子爱好者就已经开始使用IBM Quantum Experience来创建可在量子计算机上运行的代码。他们使用Qiskit（我们在2017年推出的开源软件开发工具包）进行编程从而创建电路。Qiskit用户已经设计了数十亿个量子电路。在5月初IBM的Digital Think会议上，来自45个国家的近2,000人参加了我们的量子挑战赛。挑战者通过IBM Cloud使用18个IBM 量子系统，每天在量子硬件上运行的电路超过10亿条。

今天，这些量子爱好者必须了解量子编程、门和电路。否则，他们无法为量子计算机编写代码，也无法创建或使用量子电路。但这只是暂时的，因为我们仍处于量子计算机时代的起步阶段。开发者为自己的特定目的（从机器学习到优化和科学计算）设计越来越多的电路只是时间问题。这使得量子电路存储库将受益所有人。你只需要用任何编程语言编写一行代码，系统就会将其匹配到存储库中的电路，并通过连接量子位的超导线找到具有最佳芯片配置的量子计算机。

无摩擦量子计算。只需一行代码，便可以通过云在你的机器上获得结果，而在用户不可见的后台，量子的奥秘将以叠加、纠缠和干涉的形式展现。

如果你问我这一愿景还有多远：未来将至。

作者：Dario Gil是IBM Research的主管，该实验室是全球最大、最有影响力的企业研究型实验室之一，在六大洲的19个地点拥有3000多名科学家。他领导IBM的创新工作，引导AI，云，量子和探索性科学领域的研究策略，是COVID-19高性能计算联盟的创始人和联合主席。