近日，谷歌實現量子霸權的研究引起了全球對量子計算的廣泛關注，圈內人士也認為這是該領域的里程碑事件。但量子計算領域的研究，存在著大量的問題。

在前不久發布的《Nature》期刊上，莫斯科斯科爾科沃科學技術研究所深層量子實驗室的副教授和實驗室主任 Jacob D. Biamonte 等人的一篇文章介紹了全球量子計算機研究的現狀：企業急于變現，耗盡大學人才；投資傾向于硬件，軟件投資不足；地緣政治升溫，阻礙學術交流……這些問題已經阻礙了量子計算的發展，下一步我們該何去何從？

Jacob D. Biamonte 、Pavel Dorozhkin 和 Igor Zacharov 曾發出過這樣的警告：對金錢的追逐正在耗盡大學的人才，破壞這一領域并切斷科學探索之路。 

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一位研究人員正在研究用于冷卻量子加速器的裝置。圖源：D-Wave Systems

在短短幾年內，量子計算領域迅速從一個學術死水區變成公眾和私人廣泛關注的課題。「通用」量子計算機的終極目標是能夠進行一切計算，同時排除噪聲、故障和干擾。要實現這一目標還有幾十年的路要走，但數十億美元正投入到初步成果的商業化中。

美國 IBM 技術公司和加拿大 D-Wave Systems 公司已經在銷售量子增強計算器。谷歌、微軟和英特爾計劃在三到五年內實現這一目標。這些早期設備應該可以比傳統計算機更快地執行某些任務。然而，它們的通用性和功能都不如通用量子計算機，而且仍然會受到誤差和噪聲的影響。如果能夠克服這兩個技術挑戰，機器學習和優化等領域可能會受益。

然而，對金錢的追逐正在破壞這一領域。企業正爭先恐后地組建龐大的研究團隊，耗盡大學的人才資源。數以百計的初創企業正在為政府資助研究的產品申請專利，切斷了研究通道。

量子計算的公共資金也在爆發式增長。但它是不均衡的，并且偏向于硬件。北美機構已占據主導地位，并推動該領域朝著適合它們的方向發展。例如，他們專注于超導體技術。缺乏大型實驗室和基礎設施的研究人員發現很難與之競爭。隨著國家安全和商業利益的升溫，地緣政治壁壘也在不斷上升。

所有這些都發生在一個關鍵時刻。摩爾定律指出，集成微芯片電路中的晶體管數量大約每兩年翻一番，現在卻停滯不前。機器學習正在向全新的行業敞開大門。我們不能為「量子優勢」的到來等上幾十年，期待那時的量子處理器解決任何現有經典計算機都無法解決的問題。這與生物技術等其他領域形成了鮮明對比。在生物技術領域，CRISPR 基因編輯的革命性技術出現在 20 年前，該領域似乎在 20 世紀 90 年代達到了頂峰。

我們呼吁學界和業界科學家以開放的科學精神開發量子應用。基礎研究不能孤立地進行，也不能由政治議程來指導。這些巨額投資和由此產生的設備應該為全人類服務，就像科學本身一樣。

全球量子生態

支撐量子計算機的大多數概念都來自政府資助的研究。由于量子計算具有很大的潛在價值，許多政府正在加大支持力度。

少數幾個國家——美國、英國、日本、瑞典、新加坡、加拿大和中國正在領跑。2017 年，各國承諾每年投入 1 億至 3 億美元用于量子計算研究；英國自 2014 年以來的政府和私人投資總額現已超過 10 億美元。2018 年，美國和歐盟都推出了 10 億美元的巨額計劃：美國國家五年量子計劃和歐盟十年量子技術旗艦計劃。中國計劃在 2020 年開啟世界上最大的量子研究實驗室，耗資 100 億美元。

其他國家也在效仿。印度和韓國都打算每年投資數千萬美元。俄羅斯還將量子技術列入其十大國家技術計劃。這些國家都在建立一些領先的中心，以協調政府和私有機構的研究和開發工作。在第一階段，大型項目會獲得高達 3 億美元的資金。

但是，這些投資產生的很多結果都不了了之。企業利益和國際政治氣候的降溫使得科學家更難合作和分享知識。封閉的領域會帶來無意義的重復，研究者浪費了時間，最后卻走入了死胡同。

例如，美國國家情報總監辦公室資助的國家科學院在 2019 年的一份報告中強調了量子計算對國家安全的影響。由美國能源部資助的科學家現在被禁止與來自中國和俄羅斯等 30 多個國家的研究人員合作。

這種陰影正在影響我們在莫斯科斯科爾科沃科技學院（Skolkovo Institute of Science and Technology）的研究，這是一所英語授課的高級研究型大學，2011 年與麻省理工學院合作成立。我們選擇在 Skoltech 公司工作，是因為那里的國際、世界級的協作氛圍。以我們的出身為例：J.D.B. 是美國人，P.D. 是俄羅斯人，I.Z. 是一個有俄羅斯血統的荷蘭公民。盡管我們的密切合作者仍在繼續與我們溝通，但俄羅斯和歐盟之間的舊研究協議正在失效，并且沒有討論續簽問題。歐盟量子旗艦參與者與美國、俄羅斯或中國科學家之間的伙伴關系現在需要特別談判。

研究空白

量子技術有可能成為另一場贏家通吃的「登月競賽」。北美已經在量子硬件領域建立了不可逾越的領先地位。加州的 Google 和加拿大的 D-Wave 等公司仍在無國界地開放自家機器的訪問權限，但只能通過云端訪問。沒人會碰處理器。

歐洲政界人士擔心他們錯過了這艘科技快船。該地區只有一家大型計算機硬件制造商（總部位于法國的 Atos/Bull）擁有量子技術項目。歐盟量子旗艦計劃推動了硬件的開發，類似于美國正在開發的硬件；此外，他們還在研究美國尚未廣泛探索的一些方法。但歐盟委員會在第一輪中未能為量子應用或算法研究撥出大筆款項——我們認為，這是一個重大疏漏。那些支持旗艦計劃的人表示，他們將在隨后的幾輪撥款中加大對量子軟件的投資。

許多研究人員希望公司能填補應用的空白。但企業對研究量子信息處理的基本理論興趣不大，并且它們往往是孤立運營的。這意味著，在這個早期階段，初創企業的激增和量子軟件的商業化可能會阻礙理論方法和量子軟件工具的發展。

過時的理論和假設也阻礙了這一領域的發展。量子增強技術的應用范圍是有限的，并且還沒有被規劃出來。即使是已知的用途，例如對機器學習的好處，人們也很難理解。這些設備可能無法提供預期的改進。教科書上的算法（如 Shor 的量子因子分解算法或 Grover 的搜索算法）在沒有錯誤修正的情況下似乎不適用于非理想機器。程序員是否可以編寫更好的代碼，使其能夠在受噪聲影響的實際設備上工作？

下一步怎么走？

學術研究者必須更全面地描繪出量子計算的概念和應用空間。這是一個富有成效的時刻，可以解決業界和初創企業都無法解決的難題。在有噪聲的情況下，這些設備能走多遠？會不會有一些發展停滯，導致投資枯竭？

政府應該將更多資金投入到量子軟件。實驗家們樂于為建造一臺可能獲得諾貝爾獎的量子處理器投入大筆資金。量子程序員同樣應該自信地說出他們面臨的巨大挑戰。贊助商也需要明白，這是一場漫長的比賽，需要采取多種方式。即使硬件規模擴大了，我們可能仍然不確定該如何處理它。

工業界，特別是初創企業，應該與大學更緊密地合作。公司可以為小型理論項目提供資金，并投資該領域的基本理論研究。

國際合作應該受到保護。盡管存在政治分歧，各國政府仍應努力保持科學協議不受影響。科學家和投資者必須尊重這樣一個事實：研究是全球性、國際性和開放性的。研究人員遍布全球各地。我們最終的工作背后有許多隨機因素。僅僅因為一個人跨越了國界就斷絕關系對任何人都沒有好處。

中等尺寸的量子處理器很快就會出現（盡管仍然會充滿噪聲）。量子軟件是否就緒？或者，公司會因為沒有投資驅動設備的算法和想法而自責嗎？