推銷員湯姆即將上路，為期一個月的旅程，拜訪客戶和銷售前景，他將前往美國50個地方。

湯姆需要用三個優先級來優化這次旅行。首先，他必須最大化每個客戶的時間；其次，他必須在盡可能以最短的距離完成這次旅行；最后，他必須盡可能的降低做這件事的成本。

這一經典的“旅行推銷員問題”，已經延續了幾十年，目前量子計算機可以在幾秒鐘內將它解決。

路徑優化是量子計算機的一個亮點，但它也在模擬化學化合物，發現DNA序列中的模式，優化金融組合和預測天氣。量子計算機的使用也會比傳統的自動駕駛汽車更安全有效，這項技術還可能會徹底改變保險業的風險分析。

簡而言之，問題越復雜，涉及的變量越多，量子計算的效果就越好。這也是該領域在35多年的時間里讓科學家們一直在追求這個領域的原因。

而今越來越多的證據表明，量子計算正接近現實。投資資本正在流入市場，一些量子計算機開發商正討論最快在明年展示超級計算機級系統的原型。

量子創業公司IonQ表示，上個月公司已經完成了2200萬美元的融資，目標是在12個月內制造出通用的量子處理器。這是該領域的創業公司在今年第二次獲得的大筆資金。今年3月，Rigetti電腦公司表示已經籌集了6400萬美元，預計明年將展出一臺機器，在某些任務中它將超越世界上最大的超級計算機。今年3月，IBM公司在其公共云上安裝了量子處理器，并邀請研究人員對其進行實驗。此前，D-Wave Systems公司宣布將一臺巨大的量子計算機以1500萬美元的價格賣給一位未透露姓名的客戶。今年7月，一份報告稱谷歌公司還計劃通過云服務向研究人員提供其新的量子計算技術。

就在三年前，專家們還在爭論量子計算機是否還能建成，現在的共識是：這只是時間問題，而又不僅僅是時間問題。“對于連貫的、有能力的系統來說，主要的障礙已經解決了。”Rigetti工程主管Andrew Bestwick說，“現在面臨的主要挑戰是如何利用小型系統上的演示，并以高度可伸縮的形式實現它。”

這也可能打開一個利潤豐厚的新市場。目前它的規模很小，但增長速度很快。市場研究公司預計，到2022年量子計算機的年銷售額將增長24%，達到將近25億美元。市場研究媒體公司則更為樂觀，預計2020年的年銷售額將達到50億美元。

絕佳的時機

摩爾定律已經推動了計算機行業50多年的發展，但它似乎終于失去了動力，量子計算機可以開啟一個計算能力發展的新時代。

這是我們迫切需要的。物聯網有望使網絡變得更加復雜，這樣一來我們就需要全新的網絡管理方法，這是一項非常適合量子技術的任務。此外，物聯網數據的爆炸性增長，需要新的分析方法來進行分析這一切。而那些正在尋找新的效率和收入來尋求數字化轉型的組織將會發現，量子科技打開了巨大的新機遇。

這是否就意味著是時候在這些英特爾服務器上掛一個“出售”的標志了呢？還沒有。在量子計算機發展前線的人們說，用戶有望在未來幾年內看到切實的利益，但那些能在幾秒鐘內破解256位加密代碼的吹噓機器，仍需10年或更久才能實現。D-Wave是目前唯一一家運輸商業量子計算機的公司，專家們質疑它的技術是否真的是“真正的”量子計算機。IBM、谷歌和微軟等大型企業都已建立了自己的計劃，但市場四分五裂、群龍無首，圍繞建筑細節仍在爭論不休。

但現在開始思考量子技術可以解決的問題還為時過早，諸如優化交通路線、繪制分子交互、優化股票市場組合和預測天氣等指數復雜度的任務。這就需要理解量子計算的中位和量子位的不同之處。

比特和量子位

量子力學的原理還是會讓一般人很困惑，以因此專家們傾向于用傳統的計算方法來描述計算技術。

主流的數字計算機是基于二進制算術的，其中數字被表示為1和0的組合。使用這些二進制數字或二進制數字進行計算的速度非常慢，但它有一個優勢，無論在on或off狀態下都可以很好地使用晶體管。當你在一個問題上拋出足夠多的晶體管時，它們便可以以目眩的速度完成二進制運算。這就是二進制數字計算機的工作原理。

傳統計算機技術擅長于快速地對大量數據進行簡單的計算，但他們無法很好地適應多個相互依賴的變量的問題，比如旅行推銷員問題。這也給量子計算機帶來用武之地。

量子位是量子的位元，但它們要復雜得多。一個比特是0或1，而量子位可以是0、1或其他。其他的東西可以是1/2、9/16、123/128，或者多維軸上的其他點。如果有一點是一條水平線，那么一個量子位是一個包含x、y、z軸的球體，以及在球體中任何位置表示數據的能力。這個概念通常被表示為一個膨脹的球體（如圖）。這種“超級定位”特性使得量子位可以代表復雜的問題集，而二進制計算機無法做到這一點。量子計算機的另一個重要區別是被稱為“糾纏”的東西，或者是量子位相互關聯的能力，因此每個人都能意識到所有其他事物的狀態。

這就意味著，量子計算機隨著量子位的增加而呈指數級增長。因此，從理論上講，一個200量子位系統的功率是100量子位系統的2的200次平方倍。相比之下，傳統的數字計算機是線性增長的。專家們普遍認為，30量子位或更小的量子計算機仍然可以被傳統的數字計算機所超越，但當密度超過30個量子位時，情況就會發生變化。

你需要一個相當大的IBM Power系統來模擬一個30量子位的設備，當到達40或45量子位的時候，你需要世界上最大的超級計算機。”IBM的量子計算技術策略和轉型的副總裁兼首席技術官Scott Crowder說。

極其復雜的挑戰

但量子比特也帶來了一些重大挑戰，其中最重要的是可靠性。電腦總是會犯錯，原因包括硬件故障、環境因素以及功率的變化。這些錯誤很容易在數字計算機中使用校驗和等簡單的驗證技術進行糾正。

量子位要復雜得多，因此也比位元更脆弱在一些量子模型中，量子位容易快速變換狀態，導致經常出現錯誤。多年來，如何解決這個所謂的“一致性”問題一直困擾著開發人員。“如果你有一秒鐘的計算，你的一致性在100微秒之內就消失了，那么你就不會有量子計算的力量了，”愛奧克公司的首席執行官說。“那么結果也會是錯誤的。”使問題更加復雜的是量子位的相互依賴，這使得測量和隔離錯誤更加困難。事實上，測量一個量子位的過程會導致它進入一個錯誤狀態，IBM的克勞德表示。

IBM在2015年下半年宣布了解決量子比特錯誤修正和可擴展性問題的重大突破。它已經成功地使用了量子位來解決彼此的錯誤，但解決方案并不完美，因為需要1000個或更多的量子位來監視單個的錯誤。這個問題不僅抑制了性能問題，而且限制了可伸縮性。

開發商們正在解決的另一個問題是對熱量的控制。大多數基于格的方法都需要超級冷卻，這就限制了數據中心的環境。例如，D-Wave公司的700立方英尺處理引擎（左圖）是一種低溫制冷設備，它將量子處理器冷卻到溫度低于星際空間180倍的溫度。IBM和Rigetti公司也在追求超導體系統，這些系統需要極低的溫度。

IonQ公司有一種不同的方法被稱為“捕獲離子”，它使用激光冷卻和分離單個離子。這使得量子位更容易控制，從而也更可預測。該公司預計，trapped-ion技術將使其電腦在室溫下運行，盡管尚未制造出原型機。

一個誤解

關于量子計算機的一個常見誤解是，它們將取代數字計算機。事實上，這兩種架構是適合不同類型的問題。對于涉及基本算法的大多數常見數據處理任務，數字計算機在未來的許多年里將會一直是好的解決方案。

量子計算機更適合于復雜性增加作為變量數量的指數的問題。IonQ公司的Moehring將化肥生產作為一個量子計算機將解決傳統計算機無法解決的問題。量子計算機給出的答案是世界上大約2%的能源都用于化肥生產，這是一個昂貴的過程，自然處理得更加巧妙。了解如何復制自然過程需要分子建模，這是一個隨潛在的相互作用而呈指數增長的問題。“即使是一個尺寸適中的分子，世界上最強大的經典計算機也無法模擬它的相互作用，”他說，“而且他們永遠不會，因為傳統的計算機無法達到足夠的規模。”

另一種誤解是量子計算機只有一種。事實上，有好幾種，大多數商業活動都集中在三種架構上。

量子門模型是由Rigetti、IonQ和IBM（如圖）以不同的方式進行的。它具有足夠的靈活性，可以通過編程適應各種不同的使用場景。誤差校正是量子門模型最大的缺點之一。IonQ正在用被捕獲的離子技術解決這個問題，而Rigetti和IBM正在追求超導量子位。

D-Wave使用的量子退火模型具有穩定性優勢，但被認為比量子門模型更靈活。

由微軟公司提出的拓撲量子模型被認為是這三者中技術含量最高的。它將靈活性與低錯誤率結合在一起，但在這一點上，它的缺點只是理論上存在：從來沒有人沒有人構建過。

市場是如此之新，以至于幾乎沒有達成共識，哪一種方法是最好的，參與者仍在激烈地討論“純”量子計算的定義和優點。目前正在運輸商業量子處理器D-Wave的公司已經采用了量子化的方法，這一模式引發了相當大的爭議。

“D-Wave的弱點在于，你需要把問題映射到一個固定的功能上，”IBM的Crowder這樣表示。“我不清楚它是否會比傳統的計算機更有優勢，但只要它們展示了商業價值，其他的就不重要了。”

Rigetti公司的Bestwick同意。他說：“這就像一個特殊用途的ASIC（特定于應用程序的集成電路），只能做一件事和一件事。”

D-Wave的Brownell駁斥了這樣的批評，因為競爭對手為了轉移人們的注意力而忽略了他們沒有產品的事實。他說，D-Wave的方法和其他方案一樣，都具有可擴展性和靈活性。D-Wave指出其140項美國專利和90多篇同行評審的論文作為證據。他說：“其他人正試圖做一個更數學或理論上更純粹的量子計算，但他們還需要數年時間才能解決其中的一些簡單的問題。”“我們是唯一擁有真正客戶的人。”

作為D-Wave方法可行性的證據，他提到了該公司所取得的持續的可擴展性。2011年推出的第一臺機器包含128個量子位。新的2000Q量子位為2000，增加了15倍。他引用谷歌2015年的發現，在蒙特卡洛模擬中，一臺D-Wave機器比單核計算機快1億倍，他說：“我們今天所裝運的機器比我們第一次裝運的機器要強大數十萬倍。”

未來五年

在未來的三到五年內，量子計算不太可能應用在核心科學之外的應用中。但到那時，50位量子門處理器應該開始進入市場。IBM表示，未來幾年內將會開發出商用硬件。“并不會用很長時間，”他說。“我們正處在風口浪尖上。”

IonQ的Moehring認為，他的公司將在2022年建成的系統“不太可能解決非常大的分子動力學或優化問題，但他們將創造出我們需要發現這些應用的路線圖。”Rigetti的Bestwick說，他的公司的第一個商業系統很可能是混合動力車，“使用經典計算機應用于經典計算機的部分應用，并使用量子計算來解決無法解決的部分。”

在信息技術領域，目前專注于將所有可能的硬件功能抽象到軟件上，量子計算機行業仍然牢牢地扎根于金屬硬件中。沒有標準，沒有對等的處理器平臺，也沒有參考架構。每個供應商都在推出自己的解決方案和與之配套的軟件。這是否意味著一家公司將會像上世紀80年代的IBM那樣來主宰量子計算領域？但是IBM的首席代表并不這么認為。

他表示：“IBM這樣的公司提供完整的服務，但我們也需要第三方，他們對企業客戶的領域有非常直觀的了解。”“我們為系統的發展做出了很多努力。”

Crowder說，系統軟件級別的編程將需要專業技能，但他預計應用程序開發人員將能夠比較容易地轉換到量子。他說：“你不需要成為量子專家來為量子計算機編寫代碼。”“你可以從GitHub上下載Python筆記來完成這一任務。”

在這些平臺問題得到解決之前，應用程序將主要靠手工編寫。風險投資公司新企業協會的負責人安德魯？舍恩表示，現在就把賭注押在打包軟件上還為時過早。“這就像在仙童半導體成立之前投資亞馬遜，”他說。

但作為IonQ的主要投資者，NEA正在把錢放進自己嘴里。“風險資本的作用是投資于那些有機會大幅改善未來的人和公司，”他說。“量子計算完全符合在這個框架當中。”

如果目前的趨勢繼續下去，它也將越來越符合主流企業的處理框架。在量子力學模型首次發表后的37年，推銷員湯姆可能很快就可以開始他的終極之旅了。