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當(dāng)前，量子計(jì)算研究人員和愛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，而是類似于當(dāng)今的代碼存儲庫，例如GitHub（一種數(shù)字代碼庫，軟件開發(fā)者在其中可以將自己編寫的代碼分享給其他人）。并且在不久的將來，開發(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)來處理常規(guī)計(jì)算機(jī)無法完成的特定任務(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)布了在線平臺Quantum Experience，使每個(gè)人都可以通過云免費(fèi)訪問量子處理器，這一數(shù)字在一周之內(nèi)就增長到數(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)十萬人。量子算法實(shí)驗(yàn)又被稱作量子電路，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)百萬軟件開發(fā)者將開始著手這項(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)過去幾十年的發(fā)展階段類似，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軟件的人才能使用大型計(jì)算機(jī)。1970年代，當(dāng)IBM與蘋果等公司開始制造銷售第一代個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)，仍通常是由軟件愛好者來編寫可運(yùn)行的應(yīng)用程序。

但是很快，軟件業(yè)務(wù)開始占據(jù)主導(dǎo)地位，并且隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)越來越普及，用戶可以在不具備過硬計(jì)算機(jī)知識的情況下組建自己的軟件棧。我們在2000年代的移動設(shè)備上看到了同樣的情況：沒多久，沒有編程經(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單的代碼行輸入到模板程序中，而后臺會自動運(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；然后是開發(fā)者；最終形成具有開源和版權(quán)保護(hù)的量子電路存儲庫或代碼庫，成為當(dāng)今軟件生態(tài)系統(tǒng)的自然的擴(kuò)展。

接下來一步不可避免，這也是許多公司和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室過去幾年的重點(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)——而對于IBM量子計(jì)算機(jī)來說，量子位通過超導(dǎo)電流制成。

如今的量子位還沒有足夠高的性能表現(xiàn)來讓量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際任務(wù)中勝過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。但量子計(jì)算機(jī)正在迅速進(jìn)化。我們在制作量子位的技術(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）量子位的路線圖。任何噪聲都會破壞量子域，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)代碼來修復(fù)或減輕剩余的問題，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)，全世界的量子愛好者就已經(jīng)開始使用IBM Quantum Experience來創(chuàng)建可在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的代碼。他們使用Qiskit（我們在2017年推出的開源軟件開發(fā)工具包）進(jìn)行編程從而創(chuàng)建電路。Qiskit用戶已經(jīng)設(shè)計(jì)了數(shù)十億個(gè)量子電路。在5月初IBM的Digital Think會議上，來自45個(gè)國家的近2,000人參加了我們的量子挑戰(zhàn)賽。挑戰(zhàn)者通過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10億條。

今天，這些量子愛好者必須了解量子編程、門和電路。否則，他們無法為量子計(jì)算機(jī)編寫代碼，也無法創(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)越來越多的電路只是時(shí)間問題。這使得量子電路存儲庫將受益所有人。你只需要用任何編程語言編寫一行代碼，系統(tǒng)就會將其匹配到存儲庫中的電路，并通過連接量子位的超導(dǎo)線找到具有最佳芯片配置的量子計(jì)算機(jī)。

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

如果你問我這一愿景還有多遠(yuǎn)：未來將至。

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)來源：科學(xué)美國人

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


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