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量子2023-2024：五大问题待解，五大行动待采
光子盒研究院
客观地说，过去一年表现不俗：推出两款全新的1000量子比特 QPU；两家上市的量子公司面临退市压力。
量子计算的兴衰热潮循环已持续十年。显然，了解量子信息科学（QIS）的发展已经不再是轻而易举的事情。五年前，这一领域鲜有人涉足，如今已演变成由相互竞争的理念、技术和参与者交织而成的复杂“迷宫”。
接下来，我们将回顾并展望2023-2024年，同时提供一些相关文章的链接，以增添趣味。以下问题不容忽视，提醒我们QIS仍有待解决。随后的五个行动项目则提示我们，尽管面临棘手问题，但现在可能正是增加投入的时机，否则可能要面对时机溜走的战略遗憾。
多年来，人们一直在讨论如何利用奇异环境（例如毫开尔文稀释制冷机）来释放量子计算的神奇力量。然而，新推出的更易于管理（或许）的量子比特模式以及引人注目的工程“量子机箱/控制机架”表明，现在或许是将量子计算迁移到传统数据中心的时候了。
事实上，欧洲非常注重将量子集成到异构超级计算中心。IBM的最新完整系统IBM System Two似乎是一项工程奇迹；IonQ、QuEra和Pasqal的各种内部部署QC计划都雄心勃勃。我们需要看到至少有几套这样的系统在运行，而不仅仅是在供应商总部运行，以此作为验证。
Ringette Computing公司推出的新产品——面向研究人员直接销售的9比特Novera QPU，甚至出现了“自建”的趋势。虽然价格“90万美元，4-6周内发货”不菲，但客户可以拥有量子系统的关键组件。这是一个有趣的尝试，可能是商业量子处理器市场的一次谨慎尝试。
Hyperion Research公司的量子观察家鲍勃·索伦森（Bob Sorensen）在上个月的QC市场更新中指出：“尽管目前通过云访问QC有很多优势，但QC最终用户公司的兴趣会越来越大，他们会有各种理由使用本地QC，包括需要保护专有信息、加快混合量子/经典算法的紧密集成、确保全天候访问特定机器，以及在QC使用率较高的情况下，确保采用比云访问替代方案成本更低的设置。
除了几家超导量子比特和光子量子比特厂商（他们已经花了一大笔钱），目前我们不确定整个量子计算界对任何单一量子比特模式有多大信心。
也许不会出现一种占主导地位的量子比特类型，无论哪种技术在成本、可制造性、性能和应用方面都能达到最佳组合，都会赢得大部分份额。
有趣的非主流竞争者包括通量比特、猫量子比特、分子量子比特，当然，光量子比特还没有真正大显身手。
IonQ公司首席执行官彼得·查普曼（Peter Chapman）认为，这是一个不断扩大的比特“动物园”：“我认为，从长远来看，其他的量子比特模式可能会更好。只是在未来5到10年内，它们不会达到我们现在的水平。所以，我很高兴能拥有自己的市场（中性原子），当然，如果你对我说，15年或20年后，可能会使用哪种量子比特模式？我不知道，在那个时间框架内，中性原子可能是一个有趣的平台，或者是其他什么东西。”
实现纠错/缓解仍然是一大挑战，但已经取得了非常稳步的进展。
最近几轮英国和欧盟的资助以及宣布的量子中心开发和系统采购计划就是明证。欧洲想要加入，Oxford Circuits、Atos/Eviden (Qaptiva) IQM、Terra Quantum、Multiverse Computing、慕尼黑量子谷（地区性项目）、Alice & Bob 和其他公司都在加快步伐。
负责监督量子计划的欧洲高性能计算联合联盟（EuroHPC JU）执行主任安德斯·达姆·延森（Anders Dam Jensen）告诉表示：“欧盟正计划将量子技术引入欧洲。”
“2023年6月，EuroHPC联合联盟与捷克、法国、德国、意大利、波兰和西班牙的六个欧洲站点签署了托管协议，以托管和运营EuroHPC量子计算机。签订这些协议后，我们正在准备采购这些量子计算机，它们将被集成到现有的超级计算机中。我们的当务之急是确保欧洲量子技术和架构的多样性，为欧洲用户提供多种互补的量子技术。因此，我们目前正在准备几项不同的招标，并正在确定和起草每台量子计算机的技术规格。”
地区竞争对手如何相互促进，包括中国、美国、加拿大等国家正大力发展量子计算，这将是一个竞争越来越激烈的舞台。
问题是它有多重要？对于这个问题，答案和以量子为中心的供应商一样多。
在最近的量子经济发展联盟（QEDC）会议上，国防部给近期的“量子希望”泼了一盆冷水，至少对其任务来说是这样。
“正如许多人注意到的那样，我们现在的战略是等待和观望。”国防部量子科学首席总监约翰·伯克（John Burke）说：“我们似乎需要更积极主动地了解量子计算的影响。”
但是，一些工业界的观点不一，但仍有许多人认为，狭义的量子优势应用即将在实现。D-Wave说：“现在就在这里，完全容错的量子计算还需要几年的时间。”
“你经常会听说量子计算很复杂，而且我们距离真正使用量子计算机还有好几年的时间。但这只是业内人士传播的FUD（恐惧、不确定性和疑虑），因为量子计算机距离真正解决实际问题还有好几年的时间。D-Wave的情况并非如此。”D-Wave首席执行官艾伦·巴拉兹（Alan Baratz）一年前说：“我们选择了一条量子之路，这条路让我们率先进入了商业化阶段，而且比其他任何人都早了好几年。”
IBM的杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）在2023年年终峰会上说：“我们认为量子优势是一个分两步走的过程。第一步是能够运行一个量子电路，而这是用蛮力经典模拟无法做到的；下一步是找出要运行的量子电路。我有信心，我们已经进入了第一阶段。我们已经成功了。我们可以运行超出蛮力模拟的量子电路。”
“要真正实现第二阶段，即量子优势，其实真的非常非常难。因为将量子方法与可能使用不同方法模拟问题的最佳经典方法进行比较时，这种比较就变得非常困难。实际上，我们正是看到了这一点，才可以将其作为推动科学发展的工具。这将是这些领域专家之间来回进行的对话，讨论使用量子计算模拟一种方法，使用经典近似方法模拟另一种方法。”
何时以及如何实现量子评估，它是以容错系统为幌子零敲碎打还是（几乎）整装待发，这仍是一个悬而未决的问题。
量子信息科学（QIS）可以做得很大、非常大；不过现在还没有实现。越来越多的科学和工程挑战似乎将得到解决，而且解决的速度会越来越快。有太多聪明人在为此努力，也有太多忧心忡忡的政府在为此紧张（和花费）。
“我认为，对市场的预测是积极的，甚至是稳健的。QIS生态系统正变得越来越复杂和细化，来自QIS处理器供应商、有针对性的经典供应商、QIS系统集成商、软件协调公司以及越来越多的特定行业QIS应用程序开发商的机会越来越多。”索伦森说：“所有这一切都使得量子计算成为一种更有吸引力的计算选择，因为量子计算是一种更精细的QC解决方案，非常适合任何潜在QC终端用户的特殊要求。”
事实上，大多数观察家都对此表示赞同。
尽管上述市场规模较小，但越来越多的人认为，企业可以相对容易地开始探索量子计算，这意味着现在正是开始的时候。一些大型（和一些小型）在线服务提供商：亚马逊Braket、谷歌量子人工智能、Azure Quantum、Strangeworks，和主要的系统供应商都提供工具和系统。
以下是两种观点：
Vizias首席执行官杰伊·布伊索（Jay Boisseau）认为，“量子领域的准入门槛是，坐下来、进入AWS或Strangeworks；选择云访问模式、花几块钱注册，再找几个刚从量子化学或其他专业毕业的新员工，然后就可以去玩了，电脑就可以知道该如何工作了。进入量子领域的门槛非常高，如果没有云接入，我们所有人都不会坐在这里对量子感兴趣；它才是真正推动兴趣的因素。”
“你不必选择合作伙伴。你不必做出这样的决定。事实上，你可以去找任何一家基于CSP的基础设施提供商（拥有量子网关），然后说我想在D-Wave/IonQ/Rigetti系统上运行这个任务，就可以做得相当无缝。现在，很多正在运行的软件都与硬件无关，这意味着客户可以在任何想要的（量子）硬件上运行它。所以还是那句话，现在还不需要做出这些选择，因为现在要判断谁会赢，谁会输，真的还为时过早。”
不要急躁。
2）跟踪早期的高性能计算-量子和工业-公共集成工作
欧洲在整合QC和HPC方面一直很热情。莱布尼兹量子信息中心负责人劳拉·舒尔茨（Laura Schulz）说：“我们负责所谓的慕尼黑量子软件栈——即能够开发出所需的算法和软件工具，一直到在量子资源上运行和管理应用程序，并将HPC纳入其中。”
“HPC-QC集成是其中的一个重要部分。此外，我们还将以量子比特模式无关的方式开发这种能力。”
当然，美国国家QIS研究中心和QEDC（以及越来越多的小型区域中心）领导的行业合作也开展了类似的工作。美国国家科学基金会还提出了一项计划：国家量子虚拟实验室（NQVL），旨在创建分布式量子计算基础设施（硬件和软件），为多个领域的研究人员提供更广泛的访问。其目的是为国家科学基金会的研究人员快速创建所需的资源、技能集、用例和访问权限。NQVL管理团队由来自国家自然科学基金各局（MPS、TIP、ENG、CISE、BIO 和 EDU）的成员组成。
需要通过这些努力来启动技能、最佳实践、工具，并提供使用QPU和模拟器的机会。欧洲在将产业与政府项目紧密结合方面享有盛誉，但美国也不甘示弱，其追逐利润的口号催生了紧迫感。
无论如何，美国正在努力将高性能计算与量子开发结合起来，以加快取得成果的速度，或许还能简化取得成果的途径。
3）建立团队
现在是“交朋友”的好时机。
QIS仍然是一个小型社区。以太网共同发明人、3Com公司联合创始人鲍勃·梅特卡夫（Bob Metcalfe）关于网络价值的定律大致是：“网络的价值与网络中连接的用户或设备数量的平方成正比”。这是个不错的想法。这是一项工作，但会有回报。
4）确定量子能为您做什么
即使对量子信息服务不甚了解的人也知道，为解决实际问题而开发/发现量子算法的竞赛已进入白热化阶段。新的机会显然会出现，公司需要从判断当前和未来业务的交叉点开始。
许多首席执行官都持怀疑态度，因为实际上，我们还不知道什么是“正确的投资战略”或“投资回报”。希望合作的供应商正在努力帮助潜在用户将算法与需求相匹配。
例如，AWS发布了一项研究——《量子算法：应用和端到端复杂性调查》（Quantum algorithms: A survey of applications and end-to-end complexities），旨在帮助早期量子计算用户。这是一个很好的资源，可以为量子计算的早期探索者提供越来越多的工具。它还很好地说明了量子算法/应用的稳步发展。越来越多的量子算法和应用似乎将可用于NISQ（嘈杂的中量级量子）设备，以提供早期量子优势（QA），并最终用于容错量子计算机。
AWS量子研究人员萨姆·麦卡德尔（Sam McArdle）和亚历山大·达尔泽尔（Alexander Dalzell）在一篇关于新工具的博客中写道：“调查的主要重点是，一旦容错量子计算机可用，从长远来看最有可能产生客户价值的量子算法；不过，它也会酌情对最相关的含噪声的中等规模量子（NISQ）算法产生影响。”
5）利用人工智能畅通前进之路
在对量子信息服务的前进轨迹进行猜测时，不能不考虑到Gen AI和类似于LLM的复杂工具将对量子研究人员、潜在的量子信息服务用户以及整个社会产生的影响。
预计这些工具将大量涌现。微软已经推出了一款面向量子的 Copilot GenAI 工具，其雄心壮志不言而喻。
“想象一下，使用自然语言生成代码，帮助模拟复杂分子的电子结构并预测其确切属性。或者想象一下，只需描述你试图解决的科学问题，系统就能在最佳硬件上配置运行所需的底层软件。”这是微软首席执行官萨蒂亚·纳德拉（Satya Nadella）在微软量子专场活动上的描述。
“我们的目标是让Copilot和Azure Quantum对科学进程产生类似的影响。我们的目标是将未来250年的化学和材料科学进步压缩到未来25年。”
IBM正在将GenAI纳入其Qiskit，其最新版本（Qiskit 1.0）将于2024年2月亮相。
“将WatsonX的生成式人工智能工具与Qiskit连接起来，程序员就可以使用简单的语言命令生成量子电路；基本上，只需写出他们想要做的事情，就可以将其交给训练有素的Granite：Granite会根据Qiskit的所有数据进行微调，并生成可执行的代码。”IBM研究员兼IBM量子副总裁杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta）说：“我们认为使用量子计算的全部能力将由生成式人工智能来驱动，从而简化开发人员的体验。”
就目前来看，更多这样的工具即将问世：它们还不完善，但会不断改进。
参考链接：[1]https://www.darpa.mil/program/underexplored-systems-for-utility-scale-quantum-computing[2]https://www.hpcwire.com/2024/01/03/quantum-2023-24-five-questions-to-ponder-five-actions-to-take-next-year/[3]https://microelectronicscommons.org/
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