Quantum Computing Deep Dive: Superposition, Cryptography & Ethics

您如何知道全球的政府、银行和企业，您知道，真正应对这种迫在眉睫的量子计算威胁？>> 是的，他们应该，首先，他们应该意识到这一点即将到来，而且很快就会到来。我认为，在 10 年左右的时间里，我们肯定会看到能够破解我们现在使用的加密方案 RSA 2048 的量子计算机，这是一种正在使用并且我认为将在 10 年内被破解的东西。银行和其他使用加密的实体需要做的是放弃那种加密类型，转向后量子加密，或者研究量子力学解决方案。当真正可用的量子计算机出现时，未来 10 年的世界将会是什么样子？>> 我相信，有了量子计算机，我们可以做类似的事情。我们现在拥有一个计算显微镜，它可以比我们用经典计算机计算得更远、更好。我们将能够看到以前看不到或无法计算的东西。我们将看到什么，我们还不知道。就像弗莱明不知道他在显微镜下会看到什么一样。令他惊讶的是，他发现了微生物和微生物学的诞生。我坚信，有了量子计算机，我们将看到类似的事情。[音乐][音乐]感谢您加入“改变世界”。我是主持人埃迪·伊维尔，今天我非常荣幸能与计算机科学家、量子计算先驱、现任 Continuum 量子算法与创新首席科学家哈里·伯曼教授一起。此前，他曾是阿姆斯特丹大学算法、复杂性理论和量子计算教授，Centrum Wiskunde & Informatica 量子计算小组组长，以及荷兰量子软件研究中心 QOFT 的执行董事。伯曼教授的研究兴趣包括量子计算、量子信息、量子密码学、计算复杂性理论、组合复杂性以及计算生物学。所以，教授，我非常非常感谢您抽出宝贵时间参加播客，我想从区分经典计算机和量子计算机开始，因为您知道，计算机已经彻底改变了世界，从 20 世纪 60 年代至今，从大型机到我们现在拥有的这些大型计算机，我们口袋里都有计算机，这彻底颠覆了社会，现在我认为我们正处于这种转变的边缘，我们可能会进入量子计算领域，虽然可能不是用于所有事情，但可能用于狭窄的特定目的，但如果您能，我将非常感激，您能让我的听众了解经典计算机和量子计算机的区别，它们实际上利用了生命的源代码，您知道，原子>> 是的，这是我们在量子计算领域正在关注的基本问题。让我告诉您，经典计算已经进行了很长时间。您甚至可以说，它始于几千年前，例如算盘，然后发展到我们现在的技术，我们的笔记本电脑，甚至我们的超级计算机，如目前在美国托管的最大的一台 El Capitan，所有这些技术都基于相同的计算原理，相同的基本原理，即基于比特，比特是这些设备的基本构建块，它们是零或一，而进入计算领域的人对此非常了解。现在，最近出现了一个新事物，称为量子计算，量子计算机基于量子比特或我们称之为量子比特。这些量子比特在根本上与经典比特不同。在某种意义上，它们可以同时是零和一，而不是像经典比特那样只能是零或一。这些计算机需要全新的构建块，根本不同的硬件。但也许更重要的是，至少对我来说，它们还需要根本不同的软件和软件方法。因此，在您的经典计算机上运行的软件，我称它们为经典计算机，但它们是我们周围拥有的那些，实际上并不在量子计算机上运行。您需要利用这种新硬件提供的想法。那么，量子计算机中这种根本不同的部分是什么呢？它们基于量子力学或量子物理学的定律，这是对非常小的自然界的研究。事实证明，当您开始观察原子和电子时，大自然的行为截然不同。统治那个世界的定律被称为量子物理学，它们大约在 100 年前才被爱因斯坦、玻尔和薛定谔等杰出人物发现或写下，而直到现在，我们才开始了解如何利用它们进行计算。>> 是的，这些经典计算机，您知道，它们彻底改变了我们的社会，您知道，它们可以做到。我认为几乎全世界的人们都拥有一台手机，也就是口袋里的计算机。而我们正处于一个可能通过同样的范式，您知道，通过零和一的比特，我们正处于可能制造通用机器的边缘，可能制造出与我们人类具有相同智力能力的机器，虽然我们离那还很远，但他们说，通过这种范式本身，我们可能接近于制造通用机器，然后您提到，您知道，现在我们正在进一步探索生命的源代码，因为您提到宇宙是量子力学的，而理查德·费曼教授说，大自然是非经典的，如果您想模拟大自然，最好是量子力学的。所以，教授，如果您能区分比特和量子比特，您已经对比特和量子比特进行了概述，但信息是如何在量子比特中编码的呢？您能否谈谈这个问题，这些比特，您所说的量子比特，信息是否编码在原子本身中？>> 是的，它被编码在一个物理系统中，但经典计算机也是如此，对吧？比特也被编码在一个物理实体中，也许是电流或无电流是零或一，您需要硅等等。所以，经典计算和量子计算之间并没有真正的区别，它们都需要一个物理层或载体来存储信息。量子计算和经典计算的区别在于，这些量子比特也可以以叠加态存储比特。所以，量子比特可以同时是零和一，并且有一个非常精确的数学形式主义来描述量子比特是什么。对于那些关心的人来说，它只是线性代数。它是希尔伯特空间中一个向量空间中的一个向量。但我不会深入探讨。但我想说的是，有一个非常精确的数学描述和框架告诉我们量子力学是什么。这就是理论。然后，另一方面，在实践中，我们可以实际测试这个理论，并构建或尝试构建同时是零和一的量子比特，或者具有这种叠加态。到目前为止，所有进行的实验都表明，量子力学理论确实是正确的，并且量子力学的所有预测在现实生活中也适用。所以，这些东西是可以构建的，在某种意义上，任何可以区分零和一的两个能级系统都可以编码一个量子比特，然后，如果您能以量子力学的方式操纵它，那么您就拥有了一个量子比特。所以，简而言之，这就是它。您拥有叠加原理，这与经典物理学不同，对吧？您从不会在两个地方同时遇到某物，但在量子力学中，这是完全可能的。但奇怪的是，现在当您开始观察这样的系统时，当您测量一个处于零和一的等量叠加态的量子比特时，您会看到什么？嗯，您看不到叠加态。实际上，这很令人失望。您只看到零或一，就像经典情况一样。但有一个细微的差别。区别在于，您现在看到零或一的概率是特定的。这个概率与叠加态中零和一的比例成正比。另一个奇怪的事情是，一旦您观察到这个量子比特并测量它，量子力学就会告诉您它被摧毁了，它已经坍缩了。如果您看到零，那么量子比特现在实际上是一个零，而且是一个经典的零。所以，您失去了量子力学周围的所有魔力。所以，这是其中一件事。所以，您可以测量这些量子比特，并且它们可以处于叠加态。顺便说一句，这也意味着您无法克隆或复制量子信息。经典信息可以完美复制，但量子信息不能复制。一方面，这有点问题。当您设计量子算法时，有时您确实想复制信息，但您根本做不到，这是一个定理。另一方面，当您尝试构建量子密码系统时，这实际上可能有所帮助，因为您无法复制信息，因为这可以保证一定的安全性。我们可能会在本次播客中稍后讨论这一点。然后，量子力学中还有一个重要的第二个要素，对量子计算很重要，那就是干涉的概念。我们都知道干涉，例如，当您有降噪耳机时，这些耳机可以抵消外部噪音进入耳朵，用一种反噪音来抵消进入的噪音，这样您就可以在不受飞机嗡嗡声干扰的情况下收听音乐。嗯，同样的干涉也可以以量子力学的方式使用，它允许处于叠加态的这些状态与自身发生干涉，并且以一种积极或消极的方式发生干涉。事实证明，这在编程量子计算机时非常重要，因为它的美妙之处在于，请允许我继续一点，让它稍微清楚一点。所以，当您有一个量子比特时，它可以处于零和一这两个状态的叠加态，每次添加一个量子比特，可能性就会翻倍。所以，当您有两个量子比特时，它可以处于四种不同状态的叠加态，所以您可以看到每次添加一个量子比特时都会发生这种指数增长。顺便说一句，经典情况下您也会有指数增长，因为系统可以处于指数数量的经典状态，但在经典情况下，它将处于四种状态之一。它将是 00、01、10 或 11。然而，在量子力学中，它可以处于所有四种状态的叠加态。这就是我所说的经典和量子之间的区别，当您向混合体中添加更多量子比特时，这也适用。每次添加一个量子比特，您叠加态中的可能性数量就会翻倍。所以，三个是八个，四个是十六个，以此类推。所以，它会翻倍，当您拥有仅仅 300 个量子比特时，您就有 2 的 300 次方种不同的状态，您的状态可以处于叠加态。现在，量子计算的美妙之处在于，您可以对这 2 的 300 次方种状态中的每一种状态进行计算，并且可以并行进行。所以，这真是令人难以置信，因为 2 的 300 次方远远大于我们已知宇宙中的所有原子。所以，这确实是一个天文数字，所以您可以同时进行如此多的计算。现在，这听起来很棒，而且也很棒，但问题是，您将如何从如此巨大的计算叠加态中获取信息？现在我已经告诉您，如果您观察一个量子比特或多个量子比特，状态系统就会坍缩成经典状态。不幸的是，当您这样做时，您只会看到 2 的 300 次方中的一次随机计算，而这您本来就可以在没有所有这些量子魔力的情况下完成。您只需翻几个硬币，就可以在没有所有这些的情况下进行随机计算。那么，出路是什么呢？这就是我为什么想继续一点的原因。出路是利用这种干涉的概念。当您以正确的方式使用它时，您可以以这种方式干涉巨大的计算叠加态，使得携带您感兴趣的信息或答案的计算会得到放大，而携带您不感兴趣的信息或计算的计算会以负面方式干涉，您看不到它们。当您做得对时，对于某些问题，您实际上可以获得指数级的加速。但这仅适用于非常特定的问题，对于大多数问题，情况并非如此。对于大多数问题，量子计算机不会比经典计算机快。实际上，它会更慢，因为量子计算机比我们的经典计算机慢。但对于一些问题，我们已经识别出算法，通过巧妙地利用这种干涉和叠加，我们可以更快地进行某些计算。但这仅适用于特定问题，而且您还需要非常特定的算法。所以，并不是说您可以在量子计算机上加速任何算法。根本不是这样。您需要一种新的算法设计方式，然后您就可以做到。>> 好的，教授，非常感谢您如此精彩地解释，您正确地指出它很奇怪，但实际上非常棒。事实上，理查德·费曼曾说过，没有人能理解量子力学，因为它的奇怪和奇妙的纠缠和叠加。您说，您提到干涉在这里有所帮助。现在，我将稍微深入一点，因为我只是想让您了解叠加纠缠的作用。它们如何促成加速？因为谷歌量子人工智能的负责人哈普特·内文曾建议，谷歌的 Willow 量子芯片的速度可能是平行宇宙存在的证据。他认为它必须从这些平行宇宙借用计算能力才能实现这一壮举。您知道，大卫·多伊奇是另一个赞同这种观点的人。肖恩·卡罗尔和塞思·劳埃德等人也是如此。这些叠加和纠缠以及量子计算的加速，它们是在利用平行宇宙或维度来实现这种量子加速吗？>> 嗯，首先，我想说一件事。我们还没有真正谈到纠缠，当您可以获得两个量子系统之间无法通过经典方式获得的关联时，纠缠就是一种概念。在某种意义上，纠缠是存在的，但为了谈论量子算法和加速，您不必从量子纠缠的角度来思考。所以，这是其中一件事。虽然它有时很有用，而且非常有趣，但严格来说，它并不是必需的。所以我更愿意将叠加和干涉本身作为加速的原因。现在您谈到了其他一些事情，这很有趣。您谈到了多重世界解释或量子力学的多重世界解释，它确实是这样。这是一种对量子力学的解释。请允许我稍微解释一下它是如何工作的。因为我认为这在很多方面都是一种误解。为了理解它，我们必须回到我们如何进行科学研究以及我们如何研究自然和我们周围的世界。科学家们就是通过所谓的科学方法来做到这一点的。它归结为以下工作方式，以下范式。您会观察周围的世界。例如，当您有一个石头并将其放下时，它会落到地上。您会进行这样的实验。然后您进行一些观察，然后您会尝试提出一个数学模型来描述您所观察到的。然后，如果您做得对，这个模型也会预测其他情况会发生什么。例如，它会预测，如果您有石头，并且将其从更高的地方放下，它实际上会比从较低的地方更快地撞到地面。那么，有一个美丽的数学模型，实际上称为经典力学，可以描述这一点。但我的观点是，科学就是这样工作的。您进行观察，然后您提炼出一个数学模型来描述这些观察，然后您继续进行其他观察，以证伪您所做的数学模型，而证伪的意思是数学模型预测一件事，而当您进行实验时，却出现了另一件事。现在，当您发现这种情况时，您必须更改您的数学模型，并将其升级为更新的模型，该模型实际上也捕捉了这些新观察结果，等等。所以，现在新的实验开始了，您又开始环顾世界，一切都很好，直到您发现一种情况，您的模型不再能预测您所看到的情况。这就是科学。这也是在经典力学之后我们如何获得量子力学的，对吧？当我们观察非常小的世界时，经典力学不再能正确预测我们所看到的情况，并且必须进行修改。这就是量子力学。这是一个数学模型，据我们所知，它与我们的实验一致地预测世界。现在，很有可能明天有人会进行一个与量子力学不符的实验，证伪它，然后我们必须改变它。但到目前为止还没有发生。您所谈论的多重世界解释或平行宇宙是人类试图理解或向自己解释这个数学模型意味着什么的一种方式。但在某种程度上，当您进行量子算法或构建量子计算机时，这并不是必需的。您不需要这种解释。当然，您会对此感到好奇，并且您想解释叠加原理意味着什么。我已经说过，好的，这意味着一个原子可以同时处于不同的位置。嗯，这是一种解释。我们真正知道的是，我们有一个数学模型，它精确地预测了当您执行某些操作时会发生什么，然后您进行测量，然后您发现这个原子以一定的概率出现在一个位置，以一定的概率出现在另一个位置。所以，在某种程度上，它是否利用了多个世界，这只是一个解释性问题。我真的不知道。我只知道我们有一个数学模型，它精确地预测了我们所看到的一切，并且它预测您可以以某种方式进行计算。>> 是的，是的。好吧，公平地说。您知道，我的意思是，让我们来做数学。教授，您知道，有相当多的量子力学解释，从哥本哈根解释到 UG 等等。您是否认同某种特定的量子力学解释，并且想了解更多关于您为什么认同它的原因？>> 这些解释的问题在于，它们都有一些奇怪之处。例如，多重世界解释说，您拥有多个同时存在的世界。这感觉有点奇怪，对吧？因为我们从未观察到。然后，坍缩解释很奇怪，因为它表明当我们观察事物时，它们就会坍缩，这怎么可能？所有解释都有一些令人不快的地方。当您看到它们解决了某个解释中的一些令人不快之处，但随后它们又引入了另一个。我认为，据我所知，没有一种解释是完全没有令人不快之处的。唯一有效且没有问题的是这种数学框架。所以我正在使用它作为我的解释，也就是说，没有解释，只遵循数学。遵循数学，看看它会带您去哪里。>> 完美。教授，量子计算机，您知道，如果您能>> 顺便说一句，该领域的所有人都这样做，但他们也有自己的私人解释，但在他们进行日常工作时，他们实际上使用数学并进行计算。不，公平。公平。教授，教授，如果您能谈谈量子计算机以及今天正在开发的各种量子计算机，以及这些量子计算机各自的关键架构差异、优势和挑战。>> 我会说，有许多不同的方法来构建量子计算机，有许多不同的物理系统可以用来实现它们。例如，有光子，或者在 Quantinium，我们使用离子来编码量子比特，通过将零编码为某个基态，将一编码为某个激发态。而光子，您可以将零和一编码为偏振。有中性原子可用于计算，用于编码量子比特。但所有这些系统都需要您能够以相干的方式拥有零和一的叠加态。这就是所谓的。所以，不打扰它，您已经可以预料到，构建这些能够携带这些叠加态的量子比特是相当困难的，因为正如我们已经说过的，一旦您观察到它，您就会破坏这种叠加态。这就是量子力学告诉您的。在某种程度上，进行计算意味着您必须稍微观察一下这些量子比特。至少您必须操纵它们。因此，一方面要长时间保持叠加态的相干性或活性，另一方面您又想对这些量子比特进行计算。所以，一方面要保持系统稳定，您必须将其与环境隔离，因为环境会测量，而您不希望它测量，但环境可能会为您测量量子比特，然后将其破坏。所以，您想将量子比特与环境隔离，但另一方面，您又想能够对它们进行操作。所以，这两者在某种程度上是相互冲突的。是的，这就是构建所有这些系统的量子计算机的困难所在。所以，竞赛正在进行，以构建长期稳定、可操纵的量子比特。而如果您操纵它们，您不会引入太多错误。这就是我们在 Continuum 所做的。我们拥有非常稳定的量子比特。离子具有这种特性。此外，我们还可以以非常小的误差操纵这些量子比特。>> 是的，教授，我想进入 Continuum，但在此之前，您知道，我想也许因为我们在谈话中提到了纠缠，但我们没有详细说明，如果您能做到这一点，那将是很好的。今年年初，中国团队宣布了一项突破，实现了世界上首次 10,000 公里防黑客量子安全通信。我很想听听您对此突破的看法，如果您能解释您在量子指纹识别方面的工作及其对安全通信的影响，那将是很好的。>> 是的，现在我们实际上进入了密码学和安全通信以及安全量子通信的领域。但在此之前，让我稍微谈谈您可以用量子计算机做什么，因为我们实际上还没有谈过。所以，这个领域在 20 世纪 90 年代初获得了很大的动力，当时 Peter Shor 表明，您可以使用量子计算机将大数分解为其素数因子。例如，15 是 3 * 5。但当您得到更大的数字时，实际上很难将其分解。而且我们不知道任何快速的经典算法可以做到这一点。但 Peter Shor 表明，在量子计算机上，您可以有效地分解大数。这非常重要，因为我们目前的大部分密码学实际上是安全的，因为我们不知道如何分解大数。所以，当您拥有一个可以有效分解的量子计算机时，很多密码学实际上就被破解了。所以，您需要做些什么来弥补这种情况。一种方法是利用量子力学本身。用量子力学对抗量子力学，并利用量子力学在两个方之间进行通信，称为量子通信。实际上，Bennett 和 Brazar 在 84 年开发了一个漂亮的方案，称为 BB-84 方案，比 Shor 破解经典密码学早得多。该方案允许您通过量子通信将消息从 Alice 发送给 Bob。他们通常称为 Alice 和 Bob。想法是，首先您尝试在 Alice 和 Bob 之间建立一个秘密密钥。所以，一个只有 Alice 和 Bob 知道的随机秘密密钥。他们表明，他们的协议可以做到这一点。这里有趣的部分是量子力学。它之所以安全，是因为当您将一个量子比特从 Alice 发送给 Bob，并且有人在中间窃听，称为窃听者时，该窃听者要么不会获得关于量子比特中编码的信息，要么如果她试图获取信息，她必须破坏或坍缩状态，然后 Alice 和 Bob 就可以发现这一点。所以，他们可以尝试再次尝试，直到他们确信或几乎确信没有人窃听，然后他们也确信他们拥有一个秘密密钥，然后他们可以使用该密钥来加密消息以相互发送。所以，这种量子密钥分发方案允许您将消息从 A 发送到 B。顺便说一句，它并没有解决密码学中所有的问题，即所谓的非对称密码学，它被 Shor 的算法破解了。所以，这种公钥密码学被破解了，我们需要找到新的方法来解决这种情况。顺便说一句，整个试图做到这一点的领域称为量子安全密码学或后量子密码学。我已经告诉您，您可以拥有量子通信来某种程度上弥补或挽救其中一些。但是，也有很多工作正在研究新的加密方案，它们是完全经典的，不需要量子计算机，即使面对量子计算机也是安全的。但当然，它们存在一个问题，明天可能会有人提出一种新的量子算法来破解这些方案。顺便说一句，BB-84 方案不是这种情况，因为它只是基于量子力学的定律而安全。>> 好的。所以，所以目前的量子计算机，您知道，它们距离商业化还有很长的路要走，而且那里最大的问题是拥有无错误量子计算。我们离实现可扩展的无错误量子计算还有多远？还有哪些根本性的突破仍然阻碍着无错误量子计算？>> 嗯，首先，请允许我纠正您。世界上已经有商业化的量子计算机了。Continuum 是实际销售它们的几家公司之一，但我们不是唯一一家。还有许多其他公司也这样做。所以，它们是可用的，而且它们实际上变得越来越有趣，因为我们现在处于量子计算机拥有超过 50 个量子比特的领域，有趣的是，当您拥有超过 50 个量子比特时，经典模拟这些量子计算机变得非常困难，因此它们能够执行您无法再以经典方式进行的计算。第一个例子是量子霸权或量子优势的演示。这些只是经典上很难做到的问题，但可以量子化地做到，但可能不是很有用。我们现在实际上看到一些有用的问题在量子计算机上计算，而这些问题无法再以经典方式计算。值得注意的是，几个月前，Quantinium 的一些人发表了一篇论文，表明一种称为量子磁性的概念可以在量子计算机上计算，我们也非常小心，我们认真思考寻找经典方法来计算这些材料的性质，但我们无法做到。所以，我想说，有用的量子优势的第一个例子正在出现。但是，您的问题是，什么时候会有无错误计算？这也是我想说一点的，那就是我不认为我们会有无错误量子计算机，但我们会有错误足够低的计算机，以便您可以在这台计算机上进行您想进行的计算。请允许我稍微详细说明一下。当您拥有一台量子计算机，其错误率为 10 的负三次方，即千分之一，当您执行门操作时，这意味着您大约可以执行一千个门操作，然后您就会看到一个错误。所以，您可以执行 10,000 个门操作，在某种意义上是无错误的，但这并不是完全无错误的，但计算很可能成功完成而没有错误。现在，当您想进行更长的计算时，您需要更小的门错误。当您想进行 10,000 次门操作时，您需要双量子比特门错误率为 10,000 分之一。否则，您的计算将返回几乎肯定有错误或有多个错误的结果。所以，现在，从物理上讲，利用物理量子比特，我们能够将双量子比特门和单量子比特门的错误率降低到 10 的负三次方，甚至更低，接近 10 的负四次方。所以，这意味着，不采取任何额外措施，您可以执行大约一千到一万次门操作。现在，有一个称为纠错和容错计算的美丽领域，顺便说一句，这也是由 Peter Shor 开创的，他设计了这种分解算法，它为您提供了解决门错误率非常低的问题的软件解决方案。它的工作原理是，您可以使用多个有噪声的量子比特来编码一个较低错误的量子比特，有时人们称之为逻辑量子比特。但这个逻辑量子比特仍然存在错误，尽管它比物理量子比特的错误率要低。所以，这个技术已经被许多团队演示过了。在 Continuum，我们也表明，通过使用这种量子纠错技术，您可以降低错误率。而且，还表明您可以在这些逻辑低错误量子比特上进行计算，这正是所谓的容错计算所需要的，而这将是我们越来越看到的。这有多令人兴奋？所以，您说从这里来看，没有根本性的障碍可以实现无错误计算，您说您已经拥有了商业化的量子计算机，并且它已经在解决特定问题了。您提到了量子磁性。您最兴奋的量子计算的近期和远期应用是什么？而且，由于您的工作涉及计算生物学，您是否设想量子计算在计算生物学和药物发现过程中发挥作用？>> 首先，我们，我的意思是，我认为重要的是要看到量子计算的两个阶段，它们正在发生或将要发生。第一个阶段是科学发现，我认为我们正处于科学发现阶段的中间，我们拥有这些机器，它能够进行我们以前无法进行的计算，我们只是在玩弄它，探索可能性，尝试我们已经想出来的算法，或者 10 或 20 年前想出来的算法，并且也想出新的算法，看看它们能做什么。这是我们目前所处的探索阶段，科学探索阶段。然后在几年内，也许五年左右，最多十年，您就会看到我们可以很好地利用我们在这一阶段学到的知识，并将其应用于工业问题，我们将获得工业优势，这将带来经济优势。所以，现在您问的问题是，您可以用量子计算机解决哪些经典计算机无法解决的问题？这实际上是一个相当困难的问题。是的，它本身就是一个难以回答的问题，但我们确实有一些想法。我已经提到了 Peter Shor 的分解算法，它破解了密码学。但您可能会说，这并不是一个非常有用的算法。没有一个有用的算法，那就是，如果您想模拟大自然，例如发现新材料或发现新药物，或者理解生物过程如何工作，那么您实际上需要一台量子计算机来模拟这些系统。它们实际上无法在经典计算机上很好地模拟。至少有些不能，因为它们本质上是量子力学的，并且在这些系统中存在指数爆炸。所以，量子计算机非常适合模拟这些系统，并测量这些材料具有什么样的性质。所以，这里有一个大的应用领域，模拟大自然，意味着量子力学、量子物理学和量子生物学，我预见到一些应用，例如，理解光如何与生物系统相互作用。例如，进入您眼睛的光，它与一种叫做视网膜的小蛋白质协同作用，准确理解它是如何工作的，以及光与蛋白质之间的相互作用是一个量子力学问题，量子计算机可以帮助我们更好地理解它是如何工作的。另一个是创造新材料。例如，一种具有高温超导性的材料。这意味着您可以无损耗地通过电线传输能量。所以，例如，这将解决我们的一些能源问题。潜在候选者的名单很长。探索和发现量子计算机的应用领域将是一段激动人心的时光。>> 太棒了。这有多棒？现在，教授，谷歌和 IBM 声称拥有量子霸权和量子优势。这些术语在实际可测量的术语中真正意味着什么？对于非专家来说，除了 IBM 的量子体积指标之外，还有其他基准来真正理解这些量子进展吗？>> 是的，所以，您问了几个问题。第一个是量子优势是什么？量子优势，简单来说，就是量子计算机可以计算出材料的某种性质或您感兴趣的东西。所以，您有一个输入和一个输出，它为您计算出来，以一种高效快速的方式。而所有已知的经典技术都无法做到这一点，它们花费的时间太长。这就是我所说的量子优势。当然，这有点像一场竞赛，因为如果您说，这里有一个问题，我在我的量子计算机上高效地解决了它，那么它并不意味着没有经典的方法可以做到，只是您不知道经典的方法，而且可能有人会想出来。我们认为有些问题并非如此，这就是量子优势。而且，随着时间的推移，这一点会越来越清楚。所以，最初的量子优势实验被证明没有显示出量子优势，因为我们想出了好的经典技术来解决这些问题。但当然，您知道这些知识，您会想出更难的问题，您可以在量子计算机上解决，而这些技术不起作用，而这正是目前正在发生的事情。所以我认为，随着时间的推移，我们将了解到我们已经找到了量子优势。>> 是的，教授，还有评估这些量子进展的基准吗？>> 是的，所以，这些基准在某种意义上很重要，因为它们允许您说您正在构建的量子计算机是一台好的量子计算机，而例如，在经典计算中，您通过说每秒可以执行多少次操作来衡量您的机器有多好或多快，这大致告诉您可以用它计算什么。现在，在量子世界中，告诉我们有多少量子比特并不那么有趣，因为正如我们已经讨论过的，它们可能存在错误，您需要能够抑制这些错误，而这可能需要大量的量子比特来构建一个更稳定的量子比特。所以，您可以问的是，我认为这应该是它的意思，您可以用您的计算机计算什么？这就是这些基准的用武之地。它们告诉您，您可以用您拥有的量子比特进行多少计算。您可能拥有数万亿个量子比特来执行一项非常小的计算，这只能表明您可以用数万亿个量子比特来执行这项小计算。所以，其中一个基准是由 IBM 开发的，称为量子体积，它告诉您可以在多大程度上计算具有多少量子比特的电路。以一种有意义的方式。这是一个非常技术性的定义，但它是评估您计算机中量子比特的质量以及它们具有多少算法能力的一种方法。所以，有一些这样的基准，但我认为量子体积是其中最突出的。另外，重要的是，有时您可以想出一个对您的机器有用的基准，而对其他机器却不好，这可能不是那么有趣。您想要一个真正告诉您您的机器的算法或量子算法价值的基准。最终，它将归结为您可以计算什么？您可以用您的机器计算出一些有趣的东西吗？我认为这就是最终的基准。>> 好的，完全理解。有两个非常著名的算法，您提到了 Shor 算法，还有 Grover 算法。还有其他算法在未来十年内对量子计算机可能产生重大影响吗？>> 是的，我想说，说只有两三个算法可能不太公平，因为我并不这样认为，而且我认为您也不应该这样认为。有许多算法技术或构建块，例如傅里叶变换，量子傅里叶变换，在 Shor 算法中尤为突出，然后还有其他技术，如量子行走，您可以在 Grover 算法中看到。所以，我们有少数几种技术可用，然后利用这些技术，您可以构建几乎无限多的新算法，解决您想要解决的问题。在经典世界中也发生这种情况。在经典世界中，我们的算法工具箱中有少数几种技术可用。然后，当您想解决一个问题时，您会利用您的算法工具箱。您会查看在这种特定情况下哪些原语是最好的。然后您开始使用它们，修改它们，改变它们，想出一些新的技巧，然后构建一个新的算法。在量子力学中，情况类似，尽管工具不同。工具箱包含不同的原语，但我们以类似的方式操作，设计量子算法。所以，有数千种量子算法以这种方式可用，而这正是我们正在开发的，也是我们正在做的。>> 好的，教授，我很想，如果您能详细说明您在 Continuum 所做的工作，以及您正在开发的这些算法，以及您正在使用的量子计算机，即量子囚禁离子方法，量子电荷耦合器件架构。

很高兴您能详细介绍 Continuum 的工作和进展。

是的，我大约在两年前加入了 Continuum，在那之前，正如您已经解释过的，我一直在学术界工作，从 90 年代中期到后期，我一直对量子算法和量子信息感兴趣，并且我看到了这个领域爆炸式地发展到现在的样子。所以，大约两年前，我决定亲身近距离观察这个行业是如何运作的，以及近距离观察量子硬件是如何构建的，因为在学术界这真的不可能做到，因为在学术界他们没有那么好的硬件，而且我加入 Continuum 并没有失望。我必须说，硬件确实是惊人的。而且他们能用它做什么真是太神奇了。Continuum 的核心是这些离子阱。所以这些是原子，您将量子比特编码在一种基态和激发态中。他们能够做的是在陷阱中移动这些离子。然后，当您想对这些离子进行操作时，比如一个两量子比特门，您会将这两个离子拉到一起，然后用激光照射它们，然后一切就真的像魔法一样，门就完成了。通过这种方式，我们能够进行计算，正如我之前提到的，这些计算在经典计算机上非常困难，如果不是不可能的话。

是的，这个领域的发展速度比我预期的要快得多，当然比 20 到 30 年前快得多，但即使在我加入 Continuum 的短时间内，我也看到了巨大的进步，而且我能比公众看到更远一些，虽然我不能说太多，但我对这个领域的发展方向以及我们能用它做什么感到非常乐观。在某种意义上，这也是一个梦想成真，我能在有生之年玩弄这些机器，这些机器在我开始思考这个问题时还仅仅是理论。

是的。太令人兴奋了，恭喜您完成了 6 亿美元的融资。我的意思是，在接下来的几年里，当这些量子计算机最终变得无差错时，它们所带来的应用，我认为我们甚至无法想象，因为这些应用可能会彻底改变世界。Continuum 也有很多产品和解决方案，如果您能详细介绍一下就太好了。

是的。我们实际上有一个随机数生成器，可以在某些情况下使用。我们还有一个名为 inquanto 的化学软件包，可以与我们的量子计算机结合使用。除此之外，我们还与客户合作开展了许多项目，以开发和创建在我们的量子计算机上运行的新算法和应用程序。此外，自加入以来，我们还组建了一个团队，我曾帮助组建了这个团队，这是一个名为“生成式量子人工智能”的 AI 团队。在某种意义上，这还不是一个项目，但它肯定会在不久的将来成为一个项目，我们将以多种方式结合量子计算机的力量和人工智能的力量。这确实很有趣。我发现非常有趣的是，量子计算机能够产生数据。我们称之为量子数据，但它实际上只是来自量子计算机的经典数据，可用于训练量子人工智能或 LLM 或经典人工智能，抱歉，或 LLM。通过这种方式，您甚至可以获得比单独的机器更好的东西。也就是说，比量子本身更好，或者比经典人工智能本身更好。我不知道这最终会走向何方，但这确实令人着迷和有趣。

教授，您认为您能否详细阐述一下这种融合的工作，即量子遇见人工智能，人工智能遇见量子？

是的，这正是我们建立生成式量子人工智能的主题。一方面，人工智能可以帮助改进量子计算机，例如通过提出更好的纠错码，或者提出更好的编译，或者更小的、在您的量子计算机上运行更顺畅的电路。这是人工智能在量子领域的一个应用。然后我提到了反向应用，即您使用量子计算机生成数据，然后将其输入到您的人工智能中，并用于训练它。通过这种方式，您可以以以前不可能的方式训练您的 LLM。然后是最终目标，即它们协同工作，人工智能例如向量子计算机建议量子电路，量子计算机可以运行它，并告诉您从该量子电路中出来的测量数据是什么，然后将其反馈给人工智能，人工智能会提出一个更聪明或更好的电路来解决特定的案例。例如，有一件事非常适合这个循环，那就是寻找哈密顿量的基态，哈密顿量是描述物理系统的方式，而寻找这种物理系统的基态可以告诉您该系统的属性。因此，这是我们在之前讨论的量子化学和量子材料设计等应用领域中重要的内容。

教授，现在几乎所有指数级技术栈都兼具优点和缺点。您知道，优点是它彻底颠覆了我们的世界。您知道，但如果落入坏人之手，它可能会导致某种生存威胁。您知道，即使是今天，您知道，随着人工智能的发展，您知道，我们正处于可能构建通用人工智能或杀人机器人。您知道，所以您对此感到担忧，您知道，一方面人工智能正在做很多很酷的事情，另一方面它可能是一种生存威胁，而且它适用于所有技术栈，比如纳米技术，埃里克·德雷克斯勒说，您可能会创造出某种“灰色粘液”，然后通过合成生物学，存在镜像生命，通过虚拟现实，有可能将我们困在模拟现实中。您知道，作为一个深度投入量子计算的人，有什么事情让您夜不能寐吗？您认为量子计算可能存在一些意想不到的后果或黑暗面，也许会让您担心？

是的，这肯定会发生，而且不会让我夜不能寐，因为那很不健康。但我确实担心这些事情。我确实担心，主要是人工智能领域，因为我确实认为，我确实对这些 LLM 的力量以及它们能做什么感到惊叹。而且我经常与它们交流，我对我听到的内容感到非常惊叹。虽然有时是完全胡说八道，但有时并非如此，而我认为您应该关注这一点。是的，我认为这可能会带来负面后果。我并不太关注量子，但谁知道呢？我们必须非常小心，我认为我们应该密切关注局势，如果可能的话，应对量子/人工智能或量子人工智能可能产生的任何不利影响。是的，这肯定是我们人类需要做的事情，我们需要负责任地使用这项技术。我绝对同意您的观点。事实上，在我以前在大学的时候，我们有一个专门致力于这个问题的项目，即量子计算的伦理和社会影响。我们一直在监测，并观察需要采取哪些措施来确保它朝着正确的方向发展。我们必须这样做，这绝对重要。

教授，世界上一些最大的公司，从微软、亚马逊、谷歌、IBM 到像 D-Wave、Rigetti、Continuum 这样的初创公司，目前都在开发量子计算机。有没有哪些同行的特定工作让您感到兴奋或引起了您的注意？

哦，是的。我的许多同行都在做着出色的工作，并且提出了很多想法。我特别关注量子算法，尤其是那些与经典算法相比具有指数级优势的量子算法。是的，其中一些算法已经出现并显示了这一点。我认为传统上我们一直在关注在最坏情况下表现非常好的算法，也就是说，在每个特定长度的实例上，它们都表现出指数级的优势。但不幸的是，对于许多问题来说，这样的算法可能不存在。所以现在我们必须寻找一种稍微不那么宏大、应用也不那么宏大的算法，在那里我们发现量子算法在特殊情况下、特殊实例上表现良好，但可能不是在最坏情况下或所有情况下。而这些量子启发式算法是我热衷于关注和开发的，我们也在 Continuum 中开发，而且整个领域也在朝着这些方向发展着美好的想法。

教授，我的最后一个问题。您能否为我们的听众描绘一下未来 10 年的世界图景？您知道，当我们拥有真正工作的、无差错的量子计算机时。您在一篇文章中写道，到本十年末，我们将实现通用、完全容错的量子计算。如果您能详细阐述一下这个路线图，那就太好了。

是的。我认为我们已经在朝着这个方向前进，并且已经展示了所有必要的组件，以及一些组合在一起可以完成的工作。在未来几年，我们将看到越来越大的量子计算机，拥有更多的量子比特，并且这些纠错和容错技术将得到验证并发挥作用。通过这些，我们将能够运行，从我的角度来看，这就是一切的意义所在。我们将能够运行更复杂的量子算法，拥有更多的门，可以进行更深入的计算。我不知道那会带来什么。我的意思是，我们讨论了一些应用，但我很确定还有一些我们不知道的应用将会出现。我喜欢将其与 17 世纪的安东尼·范·列文虎克进行比较，他是一位布商，他发明了显微镜，这种显微镜比当时已有的显微镜好 300 倍。他用这个显微镜做了什么？他开始玩弄它，把各种东西放在下面看。他尝试的事情之一是他家后面池塘里的一滴水。清澈、晶莹剔透的水，里面什么都没有。但当他在显微镜下观察这滴水时，他发现里面挤满了小动物，我们现在知道它们是细菌、藻类和微生物，但当时它们是未知的，没有人相信这滴清水里有什么东西，直到他们真正用范·列文虎克的显微镜观察。我相信，通过量子计算机，我们可以做类似的事情。我们现在拥有一个计算显微镜，它可以比我们用经典计算机计算得更远、更好。我们将能够看到我们以前看不到或无法计算的东西。而我们所看到的，我们还不知道是什么。就像范·列文虎克不知道他会在显微镜下看到什么一样，令他惊讶的是，他发现了微生物，以及微生物学的诞生。我坚信，我们将通过量子计算机看到类似的事情，但我无法告诉您那是什么。不是因为我被禁止，而是因为我不知道。

谢谢教授，感谢您抽出宝贵时间参加播客。这是一个深刻的结束。是的，我认为我们正在进入未知的世界。当前的计算范式，零和一，已经颠覆了我们的世界。正如我在对话开始时所说，我们口袋里都有电脑，我们正处于构建一台可能与我们一样智能或超越我们的机器的边缘，通过当前的范式。那就是使用零和一的经典计算。而现在，我们正在进入一个我们将用原子本身进行计算的世界，因为世界本身就是量子力学的，是的，它有其怪异之处。但我想一旦我们真正拥有了容错、无差错的量子计算，它所能带来的东西将是真正神奇的。它可能会彻底改变世界。您知道，也许疾病将不复存在。您知道，也许我们将永生。也许我们将发现新材料。您知道。所以，我对那个世界感到非常兴奋。祝您和 Continuum 的所有人一切顺利。对于我的听众，如果您喜欢您在这里听到的，请按下订阅按钮。下次再见。谢谢教授。我真的很感激。谢谢。

谢谢。非常感谢。保重。

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