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當(dāng)前，量子計(jì)算研究人員和愛(ài)好者必須要了解量子編程。然而，很快他們將僅僅需要一個(gè)量子應(yīng)用商店和一行代碼。量子應(yīng)用商店不是手機(jī)中那種應(yīng)用程序商店，而是類(lèi)似于當(dāng)今的代碼存儲(chǔ)庫(kù)，例如GitHub（一種數(shù)字代碼庫(kù)，軟件開(kāi)發(fā)者在其中可以將自己編寫(xiě)的代碼分享給其他人）。并且在不久的將來(lái)，開(kāi)發(fā)者可以在其中放入他們的代碼，從而調(diào)用量子計(jì)算機(jī)來(lái)處理常規(guī)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的特定任務(wù)。

我預(yù)計(jì)量子計(jì)算機(jī)將經(jīng)歷與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)這幾十年來(lái)相同的發(fā)展階段，但相比之下其發(fā)展速度要快得多（或?qū)⒃谑曛畠?nèi)）。

十年前，只有幾十個(gè)研究小組可以進(jìn)行量子編程。2016年，IBM發(fā)布了在線(xiàn)平臺(tái)Quantum Experience，使每個(gè)人都可以通過(guò)云免費(fèi)訪(fǎng)問(wèn)量子處理器，這一數(shù)字在一周之內(nèi)就增長(zhǎng)到數(shù)千。四年后，進(jìn)行量子算法實(shí)驗(yàn)的程序員數(shù)量達(dá)到了數(shù)十萬(wàn)人。量子算法實(shí)驗(yàn)又被稱(chēng)作量子電路，即定義數(shù)據(jù)操作和量子計(jì)算機(jī)工作命令的一系列指令。很快，IT界數(shù)百萬(wàn)軟件開(kāi)發(fā)者將開(kāi)始著手這項(xiàng)工作，并設(shè)計(jì)出可供所有人使用的大量量子電路。

這種演變將與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)過(guò)去幾十年的發(fā)展階段類(lèi)似，但是要快得多（十年之內(nèi)）。還記得艾倫·圖靈嗎？他于1936 年發(fā)展了軟件理論，開(kāi)啟了計(jì)算機(jī)科學(xué)和軟件工程。四十年后，仍然只有那些知道如何編寫(xiě)軟件的人才能使用大型計(jì)算機(jī)。1970年代，當(dāng)IBM與蘋(píng)果等公司開(kāi)始制造銷(xiāo)售第一代個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)，仍通常是由軟件愛(ài)好者來(lái)編寫(xiě)可運(yùn)行的應(yīng)用程序。

但是很快，軟件業(yè)務(wù)開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位，并且隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)越來(lái)越普及，用戶(hù)可以在不具備過(guò)硬計(jì)算機(jī)知識(shí)的情況下組建自己的軟件棧。我們?cè)?000年代的移動(dòng)設(shè)備上看到了同樣的情況：沒(méi)多久，沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)的人們也可以創(chuàng)建應(yīng)用和設(shè)計(jì)網(wǎng)站。如今，他們要做的就是將簡(jiǎn)單的代碼行輸入到模板程序中，而后臺(tái)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。

量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展也是一樣。首先是發(fā)燒友程序員；然后是開(kāi)發(fā)者；最終形成具有開(kāi)源和版權(quán)保護(hù)的量子電路存儲(chǔ)庫(kù)或代碼庫(kù)，成為當(dāng)今軟件生態(tài)系統(tǒng)的自然的擴(kuò)展。

接下來(lái)一步不可避免，這也是許多公司和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室過(guò)去幾年的重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)：構(gòu)建量子位。這些量子信息的基本單位類(lèi)似于我們更熟悉的經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的位，即值可以為1或0（真或假）的簡(jiǎn)單二進(jìn)制數(shù)字。量子位則可以處于0和1的疊加狀態(tài)。在我們的日常生活中，除了波，我們看不到任何物體的疊加。但在極其微小的范圍內(nèi)，粒子可以同時(shí)處于多種狀態(tài)。具有兩個(gè)自旋方向的原子核可以做到這一點(diǎn)，具有兩個(gè)極化方向的光子可以做到這一點(diǎn)——而對(duì)于IBM量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，量子位通過(guò)超導(dǎo)電流制成。

如今的量子位還沒(méi)有足夠高的性能表現(xiàn)來(lái)讓量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際任務(wù)中勝過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。但量子計(jì)算機(jī)正在迅速進(jìn)化。我們?cè)谥谱髁孔游坏募夹g(shù)方面已經(jīng)非常成熟，后續(xù)步驟的理論也很扎實(shí)。我們正在研究制造噪聲極低（盡可能不受外部干擾影響）量子位的路線(xiàn)圖。任何噪聲都會(huì)破壞量子域，使脆弱的疊加態(tài)坍縮為量子位的最終狀態(tài)（始終為0或1）。這類(lèi)低噪量子位一旦達(dá)到足夠數(shù)量（幾百個(gè)），我們就能應(yīng)用特定的糾錯(cuò)代碼來(lái)修復(fù)或減輕剩余的問(wèn)題，使其能夠運(yùn)行更復(fù)雜的量子電路。

當(dāng)僅有的幾十個(gè)量子位將我們限制在中等規(guī)模的電路時(shí)，全世界的量子愛(ài)好者就已經(jīng)開(kāi)始使用IBM Quantum Experience來(lái)創(chuàng)建可在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的代碼。他們使用Qiskit（我們?cè)?017年推出的開(kāi)源軟件開(kāi)發(fā)工具包）進(jìn)行編程從而創(chuàng)建電路。Qiskit用戶(hù)已經(jīng)設(shè)計(jì)了數(shù)十億個(gè)量子電路。在5月初IBM的Digital Think會(huì)議上，來(lái)自45個(gè)國(guó)家的近2,000人參加了我們的量子挑戰(zhàn)賽。挑戰(zhàn)者通過(guò)IBM Cloud使用18個(gè)IBM 量子系統(tǒng)，每天在量子硬件上運(yùn)行的電路超過(guò)10億條。

今天，這些量子愛(ài)好者必須了解量子編程、門(mén)和電路。否則，他們無(wú)法為量子計(jì)算機(jī)編寫(xiě)代碼，也無(wú)法創(chuàng)建或使用量子電路。但這只是暫時(shí)的，因?yàn)槲覀內(nèi)蕴幱诹孔佑?jì)算機(jī)時(shí)代的起步階段。開(kāi)發(fā)者為自己的特定目的（從機(jī)器學(xué)習(xí)到優(yōu)化和科學(xué)計(jì)算）設(shè)計(jì)越來(lái)越多的電路只是時(shí)間問(wèn)題。這使得量子電路存儲(chǔ)庫(kù)將受益所有人。你只需要用任何編程語(yǔ)言編寫(xiě)一行代碼，系統(tǒng)就會(huì)將其匹配到存儲(chǔ)庫(kù)中的電路，并通過(guò)連接量子位的超導(dǎo)線(xiàn)找到具有最佳芯片配置的量子計(jì)算機(jī)。

無(wú)摩擦量子計(jì)算。只需一行代碼，便可以通過(guò)云在你的機(jī)器上獲得結(jié)果，而在用戶(hù)不可見(jiàn)的后臺(tái)，量子的奧秘將以疊加、糾纏和干涉的形式展現(xiàn)。

如果你問(wèn)我這一愿景還有多遠(yuǎn)：未來(lái)將至。

作者：Dario Gil是IBM Research的主管，該實(shí)驗(yàn)室是全球最大、最有影響力的企業(yè)研究型實(shí)驗(yàn)室之一，在六大洲的19個(gè)地點(diǎn)擁有3000多名科學(xué)家。他領(lǐng)導(dǎo)IBM的創(chuàng)新工作，引導(dǎo)AI，云，量子和探索性科學(xué)領(lǐng)域的研究策略，是COVID-19高性能計(jì)算聯(lián)盟的創(chuàng)始人和聯(lián)合主席。

翻譯：劉哲人

審校：馬曉彤

引進(jìn)來(lái)源：科學(xué)美國(guó)人

引進(jìn)鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/the-quantum-app-store-is-coming/


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