量子計算的未來幾乎接近一半，我們準備好了嗎？
當我們越接近有用的硬體時，人類的計算元素就變得越來越重要。
就像最早的個人計算機一樣，IBM將量子計算機也裝入米色的容器中。
這是IBM量子研究所，一個很可能成就未來計算的房間。電計算機本身完全不受影響，看起來像是從天花板上吊下來的金屬罐。規律的金屬「砰」聲佔據著這個房間。這是一個旨在將硬體帶到絕對零度邊緣的散熱系統的聲音。而正被冷卻的硬體不是標準晶元，這是IBM對量子計算的研究。
2016年，IBM公司邀請公眾試用其量子計算機的早期迭代，僅有5個量子比特——其量子比特太少，無法進行任何真正的計算，但讓人們通過新技術的編程獲得一些實際經驗綽綽有餘。在快速發展的情況下，IBM在其量子計算室安裝了更多的金屬罐，並在準備就緒時添加了新的處理器。隨著IBM將量子比特數量提升至20個時，它樂觀地宣布50量子比特硬體即將到來。
IBM托馬斯沃森研究中心的研究人員更謹慎，明確表示他們不能做出承諾，50量子比特硬體僅僅是量子計算未來的墊腳石。但他們確實證明了IBM已經做好準備成為那未來的一部分，部分原因在於公司圍繞這些早期努力建立的生態系統。
構建區塊到晶元上
對於其量子比特，IBM使用連接到諧振器的超導線，全部建立在硅晶圓上。電線和晶圓使該公司能夠利用其經驗建立電路，但在這種情況下，電線是鈮和鋁的混合物，使得其允許它在極低的溫度下超導。介紹硬體測試室的Jerry Chow說，公司仍在試驗如何改進其量子比特的細節，單獨或成對測試不同配製和幾何形狀。
通常在這些罐內的部分冷卻系統。它使用液態氦將溫度降至接近絕對零度。
諧振器對微波頻率很敏感，使其允許使用微波脈衝設置或讀出每個單獨的量子比特。每個晶元都含有光學元件，可以將外部微波輸入引導至單個量子比特。微波本身沒有什麼特別之處，所以輸入是使用現成的光學器件創建的。唯一的挑戰是將輸入放入晶元，深入液氦冷卻罐。要做到這一點的硬體不僅要能承受極端寒冷的溫度，還要能夠在溫度恢復到室溫的情況下生存下來。(儘管冷卻後，硬體可以無限期運行而無需更換。)
有冷卻的外部物理控制，但沒有計算的外部物理控制。
量子計算依賴於這些量子比特之間的糾纏。Chow說，為了糾纏這些量子比特中的任何兩個，可以依靠它們具有稍微不同的共振頻率的這一事實。如果使用量子比特對其中之一的共振頻率來處理量子比特對中的每個量子比特，則可能會使它們糾纏。然後每對的集合可以被糾纏成更高階的糾纏系統。量子比特一次可保持100微秒的相干性，但量子比特對的糾纏可以在約10納秒內完成。Chow表示糾纏晶元目前需要幾微秒，從而有足夠的時間準備整個系統並進行計算。
如果這一切都很簡單，那為什麼我們還沒有看到50量子比特晶元？
量子計算晶元的樣本。如果沒有那些銅製硬體支撐，量子計算晶元看起來就跟在硅晶片上製造出的任何其他晶元一樣。
問題是量子比特對環境噪音非常敏感。這可能是來自設備外部的噪音（儘管金屬罐有助於晶元屏蔽大量的此類噪音）。但它也可能來自內部——冷卻系統、微波布線以及晶元組件本身都可以與量子比特相互作用。任何形式的交互對計算都是災難性的。
這意味著改變晶元架構的任何內容，甚至增加一個量子比特，都有可能在晶元執行計算時改變錯誤的頻率和類型。IBM做了大量的建模，試圖在晶元製造之前限制這個問題，但在某種程度上，這是一個實證和迭代的過程：使用晶元，看看會發生什麼。Chow說：「建立更多的量子比特將幫助我們識別噪音和串音的來源」。
Sarah Sheldon也是這樣回應的，她是研究控制和讀取量子比特的微波系統的科學家之一。Sheldon說：「我們有很好的工具來表徵各個組件，但沒有有效的手段來表徵整個設備。隨著系統變得越來越大，我們面臨控制一個量子比特可能導致其他地方出現錯誤的情況。」她接著補充說道：「我們正在接近極限，在該極限處無法使用傳統方式模擬這些設備——那麼如何判斷它在正常運行？」
霸權還是體積？
量子計算機背後的想法是，它將比普通計算機快得多地執行一些特定類型的計算。有了足夠多的量子比特，量子計算機就可以解決需要傳統計算機耗費比宇宙存在時間更長的時間才能解決的問題。如果量子計算機有能力做到這一點，它就被稱為實現了「量子霸權」。另外，Google在本周宣布了其在量子計算上的努力，並明確提到了這一概念。
當然，Google用可容忍的錯誤率（而在傳統計算機中不能容忍）來表達其量子霸權的概念。相比之下，IBM正在開發糾錯量子比特。不幸的是，這些需要幾個額外的量子比特才能運作。負責這項工作的IBM副總裁Bob Sutor建議說，一台具有幾百個糾錯量子比特的量子計算機最終將需要數千個量子位才能發揮作用。
請記住，他們目前仍在研究50個非糾錯量子比特。量子霸權還不會很快就實現。
然而，IBM建議從「量子體積」這個角度開始思考，這是一種將用於計算的量子比特數與機器上運行的計算錯誤率相結合的方法。量子體積允許IBM的機器和Google的機器之間進行有意義的比較。但不會告知的是任何一台機器都是多麼有用。
而且，在某種程度上，答案往往是「視情況而定」。對於某些情況，應對錯誤是微不足道的。例如，將大數分解為素數，會產生一個可以在傳統計算機上幾乎立即被檢查的結果。在其他情況下，錯誤會導致計算結果不可靠，而且沒有簡單的方法來識別問題。因此，目前的電腦似乎將我們置於一個奇怪的境況中。IBM的量子計算與信息理論小組經理Jay Gambetta說：「我們可以構建一些我們不能用傳統的方式預測其行為但不能完全容錯的事情。但我們不知道使用這些可以計算出什麼。」
他指出，許多經典的計算演算法都是先開發出來的，後來才證明是有效的。相比之下，大多數量子演算法很難做任何證明。
可以簡單地使用統計數據：多次運行演算法（可能否定部分或所有的量子加速）並採取大多數答案。但IBM對此的一部分回應是要邀請公眾試用其計算機。如果計算機對目前狀態下的東西有用，那麼可能有人會想辦法將其弄清楚。
用於量子計算的SDK
如何讓公眾參與了解一台需要基礎設施生產超冷液氦並且無法運行現有軟體的機器？部分答案在計算機房的一側以更傳統的基於Power伺服器的形式出現。伺服器接受已經註冊測試量子硬體的人員提交的工作，這些註冊人員形成了一個團體，人員涵蓋從大金融公司到參加計算機科學課程的學生。
但是IBM依賴於答案的另一部分：一個叫做QISKit的高級SDK。正如控制系統設計師Sarah Sheldon所描述的那樣，系統的微波脈衝依賴於任意波形發生器、混合器和放大器的集合。但是QISKit為系統用戶抽象了所有細節。它允許他們展示單個量子比特及其連接的初始狀態，而軟體（一種量子編譯器）將其轉換為讓事情發生所需的光脈衝集合。Jay Gambetta說：「你將永遠不會看到微波脈衝」。
布局過程全部用Python完成，使人們可以利用現有的技能。
由於冷卻系統是閉環，所以氦不需要更換。
從讓事情可訪問到鼓勵用戶之間還有很長的路要走，但它的成功使IBM面臨著社區管理挑戰。Gambetta強烈暗示，推出QISKit和底層編譯器，重點在於實現某些功能。他討論了團隊如何使事情變得更加模塊化，以便系統可以包含用戶的貢獻——據他說，團隊的代碼貢獻比實際處理的要多。Gambetta還提到他希望看到代碼庫的等價物，並指出像快速傅里葉變換這樣的實現在解決大量問題方面已被證明是有用的。
雖然IBM可能會鼓勵這種努力，但Gambetta也希望他們自然出現。他表示，自成立以來，量子計算已經基本上處於物理領域；計算機科學家幾乎沒有理由參與，因為沒有任何硬體足以讓他們做任何計算。現在這種情況正在發生變化，計算機科學家的參與對該領域的發展可能是至關重要的，因為正如Gambetta指出的那樣，「他們以不同於物理學家的方式思考問題」。
他也對計算機科學課程使用IBM硬體感到樂觀。一旦量子計算成為人們培訓的正常組成部分，那麼他們就會更容易地看到它是什麼：一種對特定問題有用的工具。在這一點上，量子計算機將類似於GPU或任何其他專用硬體，因為人們只需要決定它提供的加速是否值得在編寫代碼時付出的努力。
總體來說，量子計算已經到了一個轉折點。雖然硬體本身正在取得進展，並且正在增加量子比特，但這一過程大多是精細化和經驗性測試的緩慢進展。隱藏在充滿液氦的重型絕緣罐後面的硬體，可能並不是最令人興奮的事情。
相反，挑戰已經轉移到了弄清楚如何充分利用現存的硬體以及如何使用其來確保我們對逐漸提高的硬體性能已經做好準備。在這一點上，人類元素——建立經驗和管理社區，正變得越來越重要。
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