谷歌拆出「Sandbox」新公司，量子计算的商用进程到哪了？ | HyperTech
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量子计算可以改变世界——它可以改变医学、金融、破解加密并彻底改变通信和人工智能。一个形象的类比是：未来量子计算机可能会让当今最快的超级计算机看起来像一个算盘。
微软现任 CEO 萨蒂亚·纳德拉（Satya Nadella）将量子计算称为能从根本上重塑世界的三项新兴技术之一（另外两个是人工智能和增强现实）。而微软也在积极布局量子计算的科技巨头之列：
微软目前在量子技术领域追求的商业方向仍是企业服务：微软在其 Azure 云平台上提供对众多制造商的量子计算机的访问。同时也在追求自己的量子计算硬件，其风险投资部门 M12 已经多轮参投了 PsiQuantum，它是世界上资金最充足的量子计算初创公司，已经筹集了 7.29 亿美元。PsiQuantum 正在研究一种基于光子的量子计算方法，与当今的半导体技术兼容。
在 CB Insights 去年年底的一份报告中，还提到其他布局量子领域的巨头：谷歌、微软、亚马逊、IBM 和英特尔正通过产品研发、投资、构建合作伙伴关系等在量子领域建立自己的地位。量子计算仍处于初期阶段，但它已经引发了一场技术革命。
谷歌的第二个秘密量子部门
今年 1 月 7 日，Business Insider 报道称谷歌母公司 Alphabet 正计划分拆其量子部门 Sandbox。这个由谷歌联合创始人谢尔盖·布林（Sergei Brin） 创立的秘密部门将由现任负责人杰克·希达里（Jack Hidary）分拆并领导。这意味着 Sandbox 将与 Google、DeepMind 等姊妹公司并存。
消息人士透露到，将 Sandbox 从 Alphabet 中剥离出来可以给 Hidary 更多的自由，让他能够更灵活地行动，也便于筹集谷歌以外的各方资金。「Hidary 想做他自己的事，他的精神是绝不拖拉。」
去年 11 月，Hidary 签署成立新公司 SB Technologies 的文件 | 图：Business Insider
最近几周，一个与该公司有关的网站 sandboxquantum.com 出现。但截至目前，该网站没有发布任何资讯。
该网站仅有的首页 | 图：Sandbox
2020 年初，《连线》（Wired）杂志曾首次报道 Alphabet 除 Quantum AI 之外，存在第二个量子团队，当时该团队没有透露名字。直至 2021 年，外媒才报道了更多关于 Sandbox 团队的内幕。
Alphabet 旗下的 Google X 一直致力于孵化「疯狂而又难以实现」的技术，但Sandbox 却声称不属于 Google X，是另一支独立团队。迹象表明 Sandbox 专注于研究量子计算的软件。
「硬件非常有趣，但真正创造了大部分价值的是软件。」Jack Hidary 在一次演讲中说。他指出，微软等软件公司的总价值远高于运行其产品的硬件制造商，尽管最初创造计算行业的是硬件的进步。
多年来，谷歌一直在研究量子计算机，其技术与传统计算机截然不同。常规计算机以称为「位」的单位处理信息，「位」可以表示两种可能状态之一：0 或 1，对应于计算机芯片中称为「逻辑门」的部分是打开还是关闭。
相比之下，量子计算机使用「量子比特」，量子位可以同时表示 0 和 1。所以两个量子比特可以同时代表 4 个数字，三个量子比特可以代表 8 个数字，以此类推。这是叠加。
量子计算的原理 | 图：Bloombergquint
在设计标准计算机时，工程师花费大量时间试图确保每个位的状态独立于所有其他位的状态。但是在量子计算机中，每个量子位都会影响它周围的其他量子位，共同工作以得出一个解决方案。这是纠缠。
叠加和纠缠使量子计算机能够更快地处理更多信息。
理论上，任何表现出可以控制的量子力学特性的东西都可以用来制造量子比特。IBM、D-Wave 和谷歌使用微小的超导线环，其他使用半导体，还有一些使用两者的组合。一些科学家通过操纵捕获的离子、光子脉冲或电子自旋来创造量子比特。
微软正在采取另一种策略，试图将被称为「马约拉纳费米子」的难以捉摸的亚原子粒子扭曲成编织形状，以使量子比特保持更长时间的量子状态。其中许多方法需要非常特殊的条件，例如比深空温度低 180 倍的温度。
2019 年，谷歌声称其量子计算机已实现「量子霸权」，但引发较多争议，未获学界认可。当时谷歌量子计算项目 Quantum AI 负责人 Hartmut Neven 在圣巴巴拉实验室举行的庆祝其量子霸权结果的新闻发布会上被问及 Hidary 的角色时说。「我们保持密切联系，以确保这保持良好的互补性。」
谷歌用来冷却和控制其量子处理器的设备。处理器本身位于设备底部，在这张照片中不可见 | 图：谷歌
在 2021 年 11 月的播客采访中，Jack Hidary 透露 Sandbox 专注于「量子物理学和人工智能交叉领域的企业解决方案」。例如，项目包括使用量子技术来提高健康传感器的准确性。
目前 Alphabet 公司尚未透露是否会在该量子公司中拥有任何股份，也未透露希达里是否会继续参与谷歌的工作。Alphabet 想要充分利用其最近在量子计算领域的突破（特别是去年其研发出的「时间晶体」），将它的 Moonshot 项目之一从风险投资阶段延伸到商业应用，看样子只是一个时间问题。
但真的是这样吗？
量子计算用例越来越真实
量子计算用例越来越真实
麦肯锡等机构已经开始思考未来 8 年内量子计算机系统变得容错时可能发生的用例。虽然多个量子计算硬件平台正在开发中，但最重要的里程碑将是实现完全纠错、容错的量子计算。如果没有完全纠错、容错的量子计算，量子计算机将无法提供精确的、数学上准确的结果。一些专家也认为，不完美的容错并不一定会使量子计算系统无法使用。
未来，量子计算机不仅仅是更快，它可以做一些没有我们做梦也想不到的、即使是最好的超级计算机也做不到的事情。
量子芯片 | 图：网络
它们具有迅速加速人工智能发展的潜力，谷歌已经在使用它们来改进自动驾驶汽车的软件。它们对于模拟化学反应也至关重要。目前，超级计算机只能分析最基本的分子，但是量子计算机使用与它们试图模拟的分子相同的量子特性来运行。即使是最复杂的反应，量子计算也应该没有问题。
这可能意味着人类会拥有更高效的产品——从电动汽车电池的新材料，到更好、更便宜的药物，或者大大改进的太阳能电池板。科学家们希望量子模拟甚至可以帮助找到治疗阿尔茨海默病的方法。
量子计算机可以在任何需要模拟大型、不确定的复杂系统的地方找到用途。从预测金融市场到改善天气预报，再到对单个电子的行为建模：使用量子计算来理解量子物理学，这一切都可以。
此外，密码学将会是另一个关键应用。目前，许多加密系统都依赖于将大数分解为素数（就是数学里的「因式分解」）的难度。对于经典计算机来说，它速度慢、成本高且不切实际。但是量子计算机可以很容易地做到这一点。
有传言称，世界各地的情报机构已经在储存大量加密数据。使用量子加密。这依赖于不确定性原理——即你不能在不影响结果的情况下测量某物。量子加密密钥无法被复制或破解，它们将是完全牢不可破的。
为什么「量子霸权」很重要？
量子计算极其重要的原因也在于这项技术可能改变国防和网络安全行业。量子传感器和互联网破解算法正在开发中，美国和中国都将量子计算视为国家安全的重要组成部分。毫无疑问，开发出第一台具有现实世界用例的量子计算机的国家或公司将拥有巨大的量子优势。
自 2016 年我国「墨子号」卫星发射以来，该技术已投入大量资金。它是世界上第一颗量子通信卫星，此后，中美等国都在争夺「量子霸权」——即拥有一种可以解决经典计算机无法解决的问题的设备。
墨子号 | 图：《Science》
根据 GlobalData 的专利分析数据库，中国在量子计算技术方面的出版物总数更多，这主要归功于投资 100 亿美元的位于合肥中国科技大学国家量子实验室。美国的努力则分散在各家公司之间，以谷歌的母公司 Alphabet 和 IBM 为代表。
量子计算机的发展也会被比作历史上的太空和军备竞赛。在美国，高达 30 亿美元的联邦量子项目正在运行或计划中，其中包括 12 亿美元的国家量子计算计划。我国在未来五年内至少投入 150 亿美元用于量子计算。尽管如此，人才短缺和供应链瓶颈阻碍了整个行业的发展。
美国海军正在使用 ColdQuanta 开发原子钟和量子传感器，用于在可能无法使用 GPS 的环境中进行导航和精确计时。中国还在开发原子钟和量子传感器，以及用于探测隐形喷气机的量子雷达。它还开始使用量子加密的军事通信，这比传统的加密方法更难破解。
国家安全问题也源于网络安全问题。预计到 2030 年，强大的量子计算机将能够使用 Shor 算法击败 RSA。RSA 保护大部分互联网，因此抗量子加密至关重要，因为今天捕获的通信可能在未来被量子计算机破坏。
然而，还有许多其他因素在起作用。任何量子竞赛都与人工智能和网络安全的发展密切相关，因此更广泛的技术竞赛是对当前形势的更准确描述。美国、中国和其他国家之间大量的科学合作也削弱了对历史竞赛的类比。它将阻止一个国家暂时拉开距离。
美国和中国都必须寻找与欧盟、英国、以色列、澳大利亚和新加坡的其他世界级项目和公司的合作机会。这将是持续发展的关键。此外，私营部门的用例，如药物发现和期权交易，将有助于增加私人投资和创新。
资本加速投入
去年量子计算企业的竞争格局发生了重大变化。第一家独立的量子计算公司 IonQ 通过 SPAC（特殊目的收购公司）上市。量子初创公司 Rigetti 和 Arqit 也通过 SPAC 上市。霍尼韦尔将其量子计算部门与量子软件公司 Cambridge Quantum 合并，成立了全球最大量子计算公司之一 Quantinuum。
由于量子计算仍然是一个新兴技术领域，基础研究的大部分资金仍然来自公共资源。
有人说，量子计算就像核聚变，即使可以实现，真正的回报也还要几十年。
各国在量子领域的公共资本投入 ｜ 图：麦肯锡
然而量子计算的商业投资正在迅速增加。仅在 2021 年，已宣布对量子计算初创企业的投资已超过 17 亿美元，是 2020 年筹集资金的两倍多。
自 2015 年量子领域的私人投资数额 ｜ 图：麦肯锡
大约到 2030 年，量子计算用例将具有混合操作模型，它是量子计算和传统高性能计算之间的交叉。例如，传统的高性能计算机可能会受益于量子启发算法。
到 2030 年之后，私营公司和公共机构正在进行的密集研究对于改进量子硬件和实现更多、更复杂的用例仍然至关重要。资金、可访问性、标准化、行业联盟、人才和数字基础设施这 6 个关键要素将决定该技术的商业化路径。
值得强调的是，硬件仍然是形成量子生态系统的一个重大瓶颈。这一挑战既是技术性的，也是结构性的。首先，在实现足够水平的量子比特质量的同时，扩展量子计算机中的量子比特数量是一个问题。硬件也有很高的进入门槛，因为它需要资本、实验和理论量子物理学方面的经验以及深厚的知识（尤其是相关实施选项的领域知识）的结合。
量子计算机理论已经存在了几十年，但它们需要很长时间才能问世，一个重要原因是它们对干扰非常敏感。几乎任何东西都可以将量子比特从微妙的叠加状态中剔除，量子计算机必须保持与所有形式的电干扰隔离，并冷却到接近绝对零度，这会比外太空还要冷。所以目前它们主要由学者和企业使用。
对于终端用户来说，可行的商业量子计算距离出现还早。量子计算可能会改变世界，但我们恐怕并不能用上搭载了量子芯片的笔记本电脑或智能手机。
原文链接：
Quantum computing use cases are getting real—what you need to know
https://t.cn/A6JYQMgu
Quantum computing and quantum supremacy, explained
https://t.cn/E9kjtid
Why quantum computing supremacy matters
https://t.cn/A6JYEMkJ