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IonQ创始人兼首席科学家克里斯·门罗（Chris Monroe）

从更准确的天气预报到更快的药物开发，量子计算机的未来令人兴奋。但在此过程中，我们必须解决一些问题。

美国首家量子计算上市公司IonQ最近获得了一份价值1340万美元的合同，为美国空军研究实验室（AFRL）提供量子技术，以帮助保护美国的公共和私人基础设施。

IonQ的联合创始人兼首席科学家克里斯·门罗（Chris Monroe）表示，该领域才刚刚落地。大约二十年前，他曾在NIST（美国国家标准与技术研究院，National Institute of Standards and Technology）研究原子钟。

“当时，我们利用了量子纠缠，使原子钟更加精确。而现在，我们正利用量子纠缠来制造一台带有量子逻辑门的小型量子计算机”他说。

此次专访，笔者将与克里斯·门罗坐下来讨论量子计算研究的发展方向，可能会出现哪些问题，以及“量子”的奥秘在未来能让我们看到多远。

什么是量子计算？

在过去的70年里，我们已经经历了经典的电子计算机革命。这与量子计算机有很多相似之处。在我们拥有电子计算机之前，我们就知道——计算机的概念是独立于任何硬件的——可以使用电路，也可以使用算盘、真空管，或硅晶体管等不同硬件来计算，同样你可以将数据存储在盒式磁带、硬盘或闪存上。硬件是什么并不重要，只要你有硬件，它可以通过某种物理特性运行计算。

另一件事情也令人兴奋，由于经典计算机的硬件在1950年代和1960年代首次使用集成电路，在当时人们最疯狂的梦想中，也没有人会想到可以在一平方英寸大小的芯片上集成了100亿个晶体管，并在生活中广泛应用。现在，我们拍张照片就用了数十MB，我们本不需要那么大的存储空间，但是我们懒得去压缩图片，因为内存很便宜。

现在我们还没有到达量子时代，它还不是一种商品。但是我们就像处于量子计算的“1950年代或1960年代初”，没有人能准确预测它的未来将有多大。我们只知道它可能很重要，会很有用，这与1960年代的情况完全相同。

首个集成电路的应用是一个微型放大器，用在助听器里面，这样就可以把助听器放在口袋里，不必随身携带一个大而笨重的设备，因为硅晶体管比真空管小得多。在第二次世界大战期间，人们研制了计算机来计算导弹的轨迹。这些都是非常重要的应用案例，但是这些应用我们今天都忽略了。世人很可能夸大了量子计算机的应用场景，也很难准确预测硬件何时能够就绪，因为量子计算太奇特了。

我们今天必须学习如何编程本地硬件。我们从高性能计算领域中借用了一个词——协同设计。需要让软件和应用工程师和像我这样的硬件工程师一起工作，从最基础的制造晶体管、构建单个量子比特开始一起工作。我们需要程序员确切地知道硬件是如何工作的，这样他们才能制作出非常高效的代码。这么做真的很重要。

IonQ团队办公室

我们需要重新考虑软件部分吗？

没错。这就是量子计算的不同之处。想想我们需要更好的计算机做什么？好吧——我想我们总是需要更好的计算机。如果想更精确地计算天气，那需要更多的内存。

这不是说量子计算机会更精确地计算天气，但某些类型的问题涉及大量数据，量子计算机可以更“自然地”解决它们。这些问题此前经常被我们避开或忽略，比如非常大规模的优化问题。

举例来说：物流公司每天都会交付数百万个包裹。我们知道这些东西从哪里出发，需要送到哪里。他们必须找出将包裹送到目的地的最佳路线，同时最大限度地减少行驶里程，减少能耗。这是一个巨大的物流问题，涉及非常多的可能路径配置，导致经典计算机无法做到精确计算。经典计算机只能通过猜测取得近似最优结果。

如果我们能找到最优路径，并使成本降低10%，这就有着巨大的经济价值：每天数十亿美元。但是经典计算机无法计算这些类型的问题，而量子计算机正好可以。

量子计算机的关键在于它可以同时并行处理多条数据。它适用于优化问题而不是所有问题，这是有原因的。在物流优化问题中，答案很简单，有无数条路径，但只有一条最佳路径。这就是量子计算机擅长的问题。

因此，对于任何带有“优化”一词的问题，量子计算都有很大的解决希望。

IonQ量子计算机与其他竞争对手有何不同？

大约30年前，我进入了这个研究领域。我曾在美国国家标准与技术研究院（NIST）研究原子钟。这些原子钟使用单个孤立的原子。它们处于物体的表面，也不是固体的一部分。这些原子被隔离在真空中。

它们是完全孤立的，并可以被复制。如果我给你一个某种特定类型的原子，例如某种同位素原子，它们就是一样的。这就是时钟所需要的，你需要有一个标准。如果告诉你我的时钟是基于铯133的原子，我们就可以完美地复制它。

我们正在制造更好的原子钟。这个研究领域听起来很狭窄，但我们有一个研究小组，我们需要将这些原子纠缠起来。当时我们不知道量子计算机是什么，我们只是纠缠原子，使时钟更好地工作。事实证明，我们是在制造一个带有量子逻辑门的微型量子计算机，它可以产生纠缠。这个领域就这样出现了。

我们碰巧在正确的时间出现在正确的研究领域中。在那之后五年左右的时间里，我们一直在完善如何将各个量子比特连接在一起。在我们的研究中，这些量子比特是单个原子构造的，当涉及到计算，这就非常奇特了。

你不会认为计算机是有单个原子的。我们在一个小真空室里用激光束“戳”它们。我在NIST的同事戴夫·怀恩兰（Dave Wineland）在2012年获得了诺贝尔奖，部分原因就是这项工作。最近，量子纠缠领域的研究也获得了诺贝尔奖，我敢肯定，我们的原子研究在里面贡献了一些基础工作。

在实验室进行了20年的研究后，我和Jungsang Kim（IonQ的另一位联合创始人）看到，它已经准备好转化为商业产品了。Kim更像是一名工程师，而我更像是一名物理学家。现在，我们在一起就覆盖了该产品背后的科学和工程。

IonQ的独特之处在于，我们是第一家走到上市的量子计算公司。我们不用常见的硅或固态物体，或是超导电路来构建量子计算机。我们用的是单个原子。与经典计算不同，量子计算的问题在于，如果你制造单独的晶体管或量子比特，并且它们不严格一致时，那么误差会就会被传播放大。这是有问题的。此外，量子系统必须被隔离才能工作。被囚禁在芯片上方真空腔中的单个原子就处于完美的隔离状态中。

我们已经拥有量子计算机所需的所有基础理论。现在它只是个工程问题，比如如何集成各式各样的光学控制器，并将其产品化等等诸如此类。我们不再担心底层的物理原理。

而其他超导电路或基于固态的量子计算路线并非如此。他们还需要取得很多突破，尤其是如何扩展（量子比特规模）。他们不知道该怎么做，没有人知道如何在这些技术的量子系统中进行扩展。

我们确切地知道如何扩展量子比特规模，尽管这将会很昂贵。

 IonQ的量子计算机

量子计算机和经典计算机会共存吗？

我不认为量子会取代经典计算机。我们需要好的经典计算机来协助量子计算机运行。

在某些问题上经典计算机可能与量子计算机一样好或更好。如果你有一个表格，对每个表格输入给出一个输出，那么经典计算机更好。量子计算机更像是一个漏斗：它需要更多的输入，但它会产生一个输出。它将协助我们求解那些大规模社会所要解决的问题。

但是现在我们还没有开始解决这些问题，所以这就像量子计算的1960年，我们也不知道还会出现多少新问题。例如自动驾驶汽车会输入大量的数据，它们必须进行优化。我们怎样才能应付路上发生的所有事情，然后到达目的地，而不是发生事故呢？

经典计算机将长期存在，用于处理某些类型的问题。现在我们将数据存储在不同的设备中，存储与计算设备相分离。我认为从长远来看，（不同环节的计算设备也可以分离），量子计算机将成为计算系统的另一部分。

Q：最近，您的公司发布了一些大新闻。例如获得了美国空军研究实验室的合同。您想详细谈谈这个特殊的合作项目，还是聊聊其他您认为最有趣的项目？

克里斯·门罗（Chris Monroe）：IonQ于2016年左右开始运营。到目前为止，我们已经建造了六代量子计算机，还有三代正在开发中。每一代都变得越来越强大。在过去的两年里，我们获得了一些令人兴奋的机遇。首先，我们有一个应用团队。他们正试图在现实世界的问题上部署我们的系统，并与客户合作。例如现代汽车对设计新的固态电池非常感兴趣。这与量子有什么关系呢？——研究用于电池的固态材料的性质，是高度复杂的量子问题。

另一个惊喜来自金融部门。纽约所有的银行，甚至世界各国政府，都需要解决大型的优化问题。他们喜欢建模经济，这就像模拟天气一样困难，有这么多的指标。很多指标需要纳入其中进入，例如道琼斯指数。这就是我们现在非常重视的一个应用领域：投资优化。这些银行的全职员工100%时间都在思考量子计算如何帮助他们的业务。

至于您提到的空军。它们需要实际部署量子计算机，不只是在云上访问。他们希望量子计算机部署到他们的建筑里，我们早就应该预料到这一点。因此我们开始启动公司的制造部门，该部门将停止研制样机，并开始建造很多台同一型号的量子计算机。这就像汽车厂的装配线：不是造一辆定制的汽车，而是制造了很多一样的车辆。

这需要我们冻结原型机设计。我们期望这个机器有相当高的性能，但现在还没有准备好。给我们一两年的时间，我们将能够提供这些性能。空军就是这样的客户，他们希望在他们的实验室里拥有一台量子计算机。

顺便说一句，空军对网络非常感兴趣，这是我们扩展计划的一部分：将计算机联网在一起。

Q：你说过已经制造了六代量子计算机。这意味着它不是空军买来后能用上20年的东西。这仍然是一个飞快发展的领域，如何面对这个问题？

克里斯·门罗（Chris Monroe）：这很棘手。在这六代机器中，有两代几乎是平行的。它们部署在亚马逊，微软和谷歌的云上。将计算机放在云上，而不是交付计算机的问题在于它必须一直运行着，没有时间去改进它。

我们创办公司就是为了不断的改进。我们希望进入机房去升级它，以便于更好地工作。但这样一来，这台云服务的量子计算机必须停下来，这是一个重大挑战。要把量子计算机部署上云，我们必须同意停止改进它，这是事情坏的一面。

好的一面是，这让我们学会了如何制造一台完全自主运行的机器，几乎能24*7全天候运行，无需任何维护。这在量子计算系统上很难。通过将我们的系统放在云上，我们知道了如何做到这一点。当需要交付真正的产品时，这将很有帮助。

向空军提供硬件是一件大事。空军的好处是，他们有非常优秀的人了解该系统的工作原理，这是我们达成协议的关键。从这一点上来说，要把它卖给其他人会更难，但空军是一个完美的合作伙伴。

最终，我们将有装在黑色大机箱里面的量子计算机，这些黑色机箱可以四处移动，但今年不会。决定何时冻结研发并进行交付，何时继续研发非常具有挑战性，现在我们必须同时做这两件事。我们还需要客户了解我们的系统是如何工作的，即使现在它们还不够强大，无法破解代码或其他东西，也无法解决亚马逊的所有问题。

编译：王珩

编辑：慕一