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IonQ創始人兼首席科學家克里斯·門羅（Chris Monroe）

從更準確的天氣預報到更快的藥物開發，量子計算機的未來令人興奮。但在此過程中，我們必須解決一些問題。

美國首家量子計算上市公司IonQ最近獲得了一份價值1340萬美元的合同，為美國空軍研究實驗室（AFRL）提供量子技術，以幫助保護美國的公共和私人基礎設施。

IonQ的聯合創始人兼首席科學家克里斯·門羅（Chris Monroe）表示，該領域才剛剛落地。大約二十年前，他曾在NIST（美國國家標準與技術研究院，National Institute of Standards and Technology）研究原子鐘。

“當時，我們利用了量子糾纏，使原子鐘更加精確。而現在，我們正利用量子糾纏來制造一臺帶有量子邏輯門的小型量子計算機”他說。

此次專訪，筆者將與克里斯·門羅坐下來討論量子計算研究的發展方向，可能會出現哪些問題，以及“量子”的奧秘在未來能讓我們看到多遠。

什么是量子計算？

在過去的70年里，我們已經經歷了經典的電子計算機革命。這與量子計算機有很多相似之處。在我們擁有電子計算機之前，我們就知道——計算機的概念是獨立于任何硬件的——可以使用電路，也可以使用算盤、真空管，或硅晶體管等不同硬件來計算，同樣你可以將數據存儲在盒式磁帶、硬盤或閃存上。硬件是什么并不重要，只要你有硬件，它可以通過某種物理特性運行計算。

另一件事情也令人興奮，由于經典計算機的硬件在1950年代和1960年代首次使用集成電路，在當時人們最瘋狂的夢想中，也沒有人會想到可以在一平方英寸大小的芯片上集成了100億個晶體管，并在生活中廣泛應用。現在，我們拍張照片就用了數十MB，我們本不需要那么大的存儲空間，但是我們懶得去壓縮圖片，因為內存很便宜。

現在我們還沒有到達量子時代，它還不是一種商品。但是我們就像處于量子計算的“1950年代或1960年代初”，沒有人能準確預測它的未來將有多大。我們只知道它可能很重要，會很有用，這與1960年代的情況完全相同。

首個集成電路的應用是一個微型放大器，用在助聽器里面，這樣就可以把助聽器放在口袋里，不必隨身攜帶一個大而笨重的設備，因為硅晶體管比真空管小得多。在第二次世界大戰期間，人們研制了計算機來計算導彈的軌跡。這些都是非常重要的應用案例，但是這些應用我們今天都忽略了。世人很可能夸大了量子計算機的應用場景，也很難準確預測硬件何時能夠就緒，因為量子計算太奇特了。

我們今天必須學習如何編程本地硬件。我們從高性能計算領域中借用了一個詞——協同設計。需要讓軟件和應用工程師和像我這樣的硬件工程師一起工作，從最基礎的制造晶體管、構建單個量子比特開始一起工作。我們需要程序員確切地知道硬件是如何工作的，這樣他們才能制作出非常高效的代碼。這么做真的很重要。

IonQ團隊辦公室

我們需要重新考慮軟件部分嗎？

沒錯。這就是量子計算的不同之處。想想我們需要更好的計算機做什么？好吧——我想我們總是需要更好的計算機。如果想更精確地計算天氣，那需要更多的內存。

這不是說量子計算機會更精確地計算天氣，但某些類型的問題涉及大量數據，量子計算機可以更“自然地”解決它們。這些問題此前經常被我們避開或忽略，比如非常大規模的優化問題。

舉例來說：物流公司每天都會交付數百萬個包裹。我們知道這些東西從哪里出發，需要送到哪里。他們必須找出將包裹送到目的地的最佳路線，同時最大限度地減少行駛里程，減少能耗。這是一個巨大的物流問題，涉及非常多的可能路徑配置，導致經典計算機無法做到精確計算。經典計算機只能通過猜測取得近似最優結果。

如果我們能找到最優路徑，并使成本降低10%，這就有著巨大的經濟價值：每天數十億美元。但是經典計算機無法計算這些類型的問題，而量子計算機正好可以。

量子計算機的關鍵在于它可以同時并行處理多條數據。它適用于優化問題而不是所有問題，這是有原因的。在物流優化問題中，答案很簡單，有無數條路徑，但只有一條最佳路徑。這就是量子計算機擅長的問題。

因此，對于任何帶有“優化”一詞的問題，量子計算都有很大的解決希望。

IonQ量子計算機與其他競爭對手有何不同？

大約30年前，我進入了這個研究領域。我曾在美國國家標準與技術研究院（NIST）研究原子鐘。這些原子鐘使用單個孤立的原子。它們處于物體的表面，也不是固體的一部分。這些原子被隔離在真空中。

它們是完全孤立的，并可以被復制。如果我給你一個某種特定類型的原子，例如某種同位素原子，它們就是一樣的。這就是時鐘所需要的，你需要有一個標準。如果告訴你我的時鐘是基于銫133的原子，我們就可以完美地復制它。

我們正在制造更好的原子鐘。這個研究領域聽起來很狹窄，但我們有一個研究小組，我們需要將這些原子糾纏起來。當時我們不知道量子計算機是什么，我們只是糾纏原子，使時鐘更好地工作。事實證明，我們是在制造一個帶有量子邏輯門的微型量子計算機，它可以產生糾纏。這個領域就這樣出現了。

我們碰巧在正確的時間出現在正確的研究領域中。在那之后五年左右的時間里，我們一直在完善如何將各個量子比特連接在一起。在我們的研究中，這些量子比特是單個原子構造的，當涉及到計算，這就非常奇特了。

你不會認為計算機是有單個原子的。我們在一個小真空室里用激光束“戳”它們。我在NIST的同事戴夫·懷恩蘭（Dave Wineland）在2012年獲得了諾貝爾獎，部分原因就是這項工作。最近，量子糾纏領域的研究也獲得了諾貝爾獎，我敢肯定，我們的原子研究在里面貢獻了一些基礎工作。

在實驗室進行了20年的研究后，我和Jungsang Kim（IonQ的另一位聯合創始人）看到，它已經準備好轉化為商業產品了。Kim更像是一名工程師，而我更像是一名物理學家。現在，我們在一起就覆蓋了該產品背后的科學和工程。

IonQ的獨特之處在于，我們是第一家走到上市的量子計算公司。我們不用常見的硅或固態物體，或是超導電路來構建量子計算機。我們用的是單個原子。與經典計算不同，量子計算的問題在于，如果你制造單獨的晶體管或量子比特，并且它們不嚴格一致時，那么誤差會就會被傳播放大。這是有問題的。此外，量子系統必須被隔離才能工作。被囚禁在芯片上方真空腔中的單個原子就處于完美的隔離狀態中。

我們已經擁有量子計算機所需的所有基礎理論。現在它只是個工程問題，比如如何集成各式各樣的光學控制器，并將其產品化等等諸如此類。我們不再擔心底層的物理原理。

而其他超導電路或基于固態的量子計算路線并非如此。他們還需要取得很多突破，尤其是如何擴展（量子比特規模）。他們不知道該怎么做，沒有人知道如何在這些技術的量子系統中進行擴展。

我們確切地知道如何擴展量子比特規模，盡管這將會很昂貴。

?IonQ的量子計算機

量子計算機和經典計算機會共存嗎？

我不認為量子會取代經典計算機。我們需要好的經典計算機來協助量子計算機運行。

在某些問題上經典計算機可能與量子計算機一樣好或更好。如果你有一個表格，對每個表格輸入給出一個輸出，那么經典計算機更好。量子計算機更像是一個漏斗：它需要更多的輸入，但它會產生一個輸出。它將協助我們求解那些大規模社會所要解決的問題。

但是現在我們還沒有開始解決這些問題，所以這就像量子計算的1960年，我們也不知道還會出現多少新問題。例如自動駕駛汽車會輸入大量的數據，它們必須進行優化。我們怎樣才能應付路上發生的所有事情，然后到達目的地，而不是發生事故呢？

經典計算機將長期存在，用于處理某些類型的問題。現在我們將數據存儲在不同的設備中，存儲與計算設備相分離。我認為從長遠來看，（不同環節的計算設備也可以分離），量子計算機將成為計算系統的另一部分。

Q：最近，您的公司發布了一些大新聞。例如獲得了美國空軍研究實驗室的合同。您想詳細談談這個特殊的合作項目，還是聊聊其他您認為最有趣的項目？

克里斯·門羅（Chris Monroe）：IonQ于2016年左右開始運營。到目前為止，我們已經建造了六代量子計算機，還有三代正在開發中。每一代都變得越來越強大。在過去的兩年里，我們獲得了一些令人興奮的機遇。首先，我們有一個應用團隊。他們正試圖在現實世界的問題上部署我們的系統，并與客戶合作。例如現代汽車對設計新的固態電池非常感興趣。這與量子有什么關系呢？——研究用于電池的固態材料的性質，是高度復雜的量子問題。

另一個驚喜來自金融部門。紐約所有的銀行，甚至世界各國政府，都需要解決大型的優化問題。他們喜歡建模經濟，這就像模擬天氣一樣困難，有這么多的指標。很多指標需要納入其中進入，例如道瓊斯指數。這就是我們現在非常重視的一個應用領域：投資優化。這些銀行的全職員工100%時間都在思考量子計算如何幫助他們的業務。

至于您提到的空軍。它們需要實際部署量子計算機，不只是在云上訪問。他們希望量子計算機部署到他們的建筑里，我們早就應該預料到這一點。因此我們開始啟動公司的制造部門，該部門將停止研制樣機，并開始建造很多臺同一型號的量子計算機。這就像汽車廠的裝配線：不是造一輛定制的汽車，而是制造了很多一樣的車輛。

這需要我們凍結原型機設計。我們期望這個機器有相當高的性能，但現在還沒有準備好。給我們一兩年的時間，我們將能夠提供這些性能。空軍就是這樣的客戶，他們希望在他們的實驗室里擁有一臺量子計算機。

順便說一句，空軍對網絡非常感興趣，這是我們擴展計劃的一部分：將計算機聯網在一起。

Q：你說過已經制造了六代量子計算機。這意味著它不是空軍買來后能用上20年的東西。這仍然是一個飛快發展的領域，如何面對這個問題？

克里斯·門羅（Chris Monroe）：這很棘手。在這六代機器中，有兩代幾乎是平行的。它們部署在亞馬遜，微軟和谷歌的云上。將計算機放在云上，而不是交付計算機的問題在于它必須一直運行著，沒有時間去改進它。

我們創辦公司就是為了不斷的改進。我們希望進入機房去升級它，以便于更好地工作。但這樣一來，這臺云服務的量子計算機必須停下來，這是一個重大挑戰。要把量子計算機部署上云，我們必須同意停止改進它，這是事情壞的一面。

好的一面是，這讓我們學會了如何制造一臺完全自主運行的機器，幾乎能24*7全天候運行，無需任何維護。這在量子計算系統上很難。通過將我們的系統放在云上，我們知道了如何做到這一點。當需要交付真正的產品時，這將很有幫助。

向空軍提供硬件是一件大事。空軍的好處是，他們有非常優秀的人了解該系統的工作原理，這是我們達成協議的關鍵。從這一點上來說，要把它賣給其他人會更難，但空軍是一個完美的合作伙伴。

最終，我們將有裝在黑色大機箱里面的量子計算機，這些黑色機箱可以四處移動，但今年不會。決定何時凍結研發并進行交付，何時繼續研發非常具有挑戰性，現在我們必須同時做這兩件事。我們還需要客戶了解我們的系統是如何工作的，即使現在它們還不夠強大，無法破解代碼或其他東西，也無法解決亞馬遜的所有問題。

編譯：王珩

編輯：慕一

總結

以上是生活随笔為你收集整理的量子计算更适用于优化：专访首家量子计算上市公司IonQ创始人 克里斯·门罗的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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