量子計算實現(xiàn)大規(guī)模的商用還需要多長時間？

2019年是量子計算占據(jù)新聞熱點版面的一年，從1月份IBM公布全球首款商用量子計算原型機到9月份Google宣告在全球首次實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

這一年在量子計算的歷史上將具有里程碑的意義，因為它意味著量子計算的時代將會到來。

量子計算離我們到底還有多遠？實現(xiàn)大規(guī)模的商用還需要多長時間？當前的技術(shù)狀態(tài)處在什么時代？

今日，在CCF YOCSEF總部AC委員、總部侯任學(xué)術(shù)秘書、北京交通大學(xué)陶耀東，CCF YOCSEF 總部AC委員、北京交通大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院王偉主持下，CCF YOCSEF（中國計算機學(xué)會青年計算機科技論壇）舉辦了“量子計算機離我們還有多遠？”線上論壇，針對此主題，來自合肥本源量子計算科技有限責任公司的張輝博士做了“量子計算機的發(fā)展概況與應(yīng)用前景”的報告。

來自騰訊量子實驗室鄭亞銳博士做了“實現(xiàn)量子計算，我們還需要做些什么？”的報告，清華大學(xué)終身副教授Kihwan Kim（金奇奐）做了“Quantum Computation with Trapped Ions”的報告。

另外，中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與計算機學(xué)院李綠周教授，國防科技大學(xué)強曉剛博士作為特邀嘉賓也進行了發(fā)言。天津理工大學(xué)教授羅訓(xùn)、人民郵電出版社高級策劃編輯賀瑞君擔任線上主席。

張輝：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士。2003年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2008年6月，獲得中科院量子信息重點實驗室博士學(xué)位，師承中國量子信息奠基人郭光燦院士，在校期間主要研究方向是低溫半導(dǎo)體電子輸運實驗研究和雙量子點中的量子信息理論研究。現(xiàn)任合肥本源量子計算科技有限責任公司副總裁，負責公司運營和企劃工作。

在報告中，張輝提到，量子計算機和經(jīng)典計算機并不是水火不相容的關(guān)系，中國與美國在量子計算方面至少有4~5年的差距，但是并不是“卡脖子”狀態(tài)。..。

量子計算機基本概況

量子力學(xué)已經(jīng)有100多年的歷史了，目前量子信息的技術(shù)也已經(jīng)非常多了，包括原子能、激光、超導(dǎo)、晶體管、半導(dǎo)體等等，很多的技術(shù)的應(yīng)用都已經(jīng)到了量子力學(xué)效應(yīng)狀態(tài)。

歷史上量子革命有兩次，第一次主要是宏觀的量子行為，第二次主要是微觀量子技術(shù)體系，我們目前的努力也是集中在微觀體系。

兩次革命都是在說明量子不是非常神秘的東西，它是一門非常嚴謹?shù)目茖W(xué)。量子計算是基于量子力學(xué)和計算機的交叉學(xué)科，是一個全新的學(xué)科。

從19世紀80年代開始，歐美已經(jīng)有科學(xué)家提出量子計算機的概念，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)有了一些算法，包括破解密碼的算法，搜索的算法等等。這些理論構(gòu)建起了整個量子計算的完備體系。

到了21世紀，研究重點是把理論研究帶出實驗室，最近也可以看到非常多的現(xiàn)象級新聞，這些都是標志。

不可否認，量子計算還處在早期發(fā)展的階段，類比經(jīng)典計算機，今天的量子計算機還處在經(jīng)典計算機的電子管時代，就連最底層的物理載體還沒有完全形成。

目前定義量子計算的5項指標，包括量子比特的編譯方式、相干時間、操作、時間、輸入/輸出，未來的可擴展性等參數(shù)指標，都不是非常完美的物理體系。

量子計算也有非常多的體系，每一個體系都有它本身的優(yōu)缺點，比如離子阱，優(yōu)勢是量子比特品質(zhì)高，相干時間較長，量子比特制備和讀出效率較高，缺點是儲存少，消相干，可擴展性差，小型化難等等。

注：相干時間指在量子效應(yīng)保證的時間里，對其進行操作的時間，這個時間當越長越好。

在光學(xué)體系里面，其優(yōu)勢包括相干時間長，操縱手段簡單，擴展性好。缺點是兩個量子比特之間的邏輯門操作難。

還有拓撲，它的優(yōu)勢包括，對環(huán)境干擾噪音、雜質(zhì)有很大的抵抗能力，但它目前還停留在理論層面，無器件化實現(xiàn)。

在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，雖然多種方案研究都取得一定進展，但仍然沒有實現(xiàn)技術(shù)路線收斂。目前進展最快、最好的技術(shù)是超導(dǎo)電路。

這有兩個原因，第一個是人類很希望借助現(xiàn)在非常先進的技術(shù)促進發(fā)展，包括半導(dǎo)體集成、電路工藝和技術(shù)。

第二個原因是它的優(yōu)勢是可擴展性非常強，固態(tài)器件、電學(xué)方向能夠使未來的量子計算與經(jīng)典的計算機相兼容、融合。Google、IBM、英特爾這些公司都把精力放在了超導(dǎo)或者半導(dǎo)體方向。

對比一下，經(jīng)典計算機是編譯在一個宏觀的體系上，主要用高電壓和低電壓來表示0和1。量子計算機未來是編譯在原子或者是電子這種微觀的體系上。比如用電子來編譯0和1，用上下電子自旋狀態(tài)來表示0和1。

計算機的發(fā)展中晶體管越做越小，已經(jīng)把工藝推進到7nm、5nm，甚至有人說要做到3納米。直接面臨的最困難問題是晶體管的尺寸越做越小，中間的阻隔變得越來越薄，已經(jīng)做到5納米的時候，原子數(shù)只有幾十個了。（3nm的話，會有十幾個。）

在微觀體系下，電子會發(fā)生量子的隧穿效應(yīng)，不能很精準表示0和1，電子不能精確定義高低電壓，會來回亂跑，這也就是通常說的摩爾定律碰到天花板的原因。

解決方法是換材料，比如原來用土，現(xiàn)在換用塑料。換用塑料會讓阻隔越來越結(jié)實，但是到了微觀體系，原子級別，無論用什么材料，都無法阻止電子隧穿效應(yīng)，現(xiàn)在的科學(xué)家要么極力避免量子效應(yīng)，要么干脆利用量子力學(xué)。

國內(nèi)外量子計算機最新進展

量子計算機有兩個最大的優(yōu)勢。

第一個是可以為海量數(shù)據(jù)的并行計算（性能）帶來指數(shù)級別的提升，這種強大的功能，可以運用在包括金融、數(shù)據(jù)的搜索處理等領(lǐng)域。

第二個優(yōu)勢是量子計算編譯在電子原子上，在模擬方面會表現(xiàn)的非常自然，例如新材料的發(fā)現(xiàn)，生物醫(yī)藥的藥物合成。

量子計算發(fā)展其實也就是最近兩三年的時間，歐洲、亞洲、北美、澳洲的一些發(fā)達國家，幾乎都會涉及到量子計算的方向，很多國家已經(jīng)上升到了國家層面，比如像美國已經(jīng)把量子計算提升到阿波羅登月計劃的高度。

從企業(yè)的角度來看，比較大的IT公司，例如Google、IBM、微軟、Intel，以及國內(nèi)的騰訊、阿里巴巴、百度、華為，幾乎都會涉及到量子計算，并且全球已經(jīng)有上百家的量子計算創(chuàng)業(yè)公司，發(fā)展非?？焖?，也已經(jīng)有非常好的成果展現(xiàn)。

量子計算機可以和經(jīng)典的電子計算機類比，量子芯片對應(yīng)中央處理器，量子測控體系對應(yīng)計算機的主板。還會有很多的量子軟件，包括操作系統(tǒng)，包括底層的匯編語言、操作指令，包括未來基于這些匯編語言開發(fā)的量子應(yīng)用軟件算法。

2019年是量子計算發(fā)展的高光時刻，Google的量子霸權(quán)可以類比當年人工智能的阿爾法狗下圍棋。正是由于AI下圍棋打敗了人類，才把人工智能推到了一定的發(fā)展高度。

專家們認為Google的量子霸權(quán)，完全有可能點燃量子計算熱潮。2019年年初，IBM推出了20個比特的量子計算原型機，并且已經(jīng)開始售賣。2019年年底，Google的量子霸權(quán)，僅僅只用了53位的專用量子芯片就解決了一個數(shù)學(xué)問題。

專利方面也有很多進展，加拿大的D-Wave獲批了300多項，IBM也有235項，微軟有212項，本源量子作為中國唯一上榜企業(yè)有36項。

從量子計算角度看，中國和美國至少還有4~5年的差距，但現(xiàn)狀比經(jīng)典計算機好了很多，至少不會被人“卡脖子”。

量子計算機商用預(yù)測大概會分三個階段，當前第一階段已經(jīng)走完。在量子計算的原型機的開發(fā)這一水平上，Google提出的量子霸權(quán)是標志性事件。

第二階段是接下來的十年，重點是尋找專用級的芯片，用它來解決特定行業(yè)的問題。

第三階段，是再往后十幾年的時間，目的是真正把通用量子計算機實現(xiàn)出來。波士頓咨詢曾經(jīng)預(yù)測，到2030年，保守估計市場需求有21億美金，樂觀估計可以有600億美金，到2050年的時候可以達到2600~3000億美金。

量子計算產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

借鑒經(jīng)典計算機發(fā)展經(jīng)驗，量子計算機的歷史趨勢會加速實現(xiàn)，在過去的一段時間里，已經(jīng)有非常多的人投身產(chǎn)業(yè)和商業(yè)的應(yīng)用，包括一些量子計算的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，例如IBM Q Network、本源量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟OQIA。

產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的意義是（量子計算機）需要和行業(yè)發(fā)生碰撞，從而找到具體行業(yè)存在的問題，或者困難，然后用量子計算機來幫助解決。

有了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，量子計算在近一兩年的時間里發(fā)展非?？?，有了許多實際探索的案例。例如量子計算和人工智能，它能夠大幅地提升機器學(xué)習(xí)的效率，能夠設(shè)計很多的算法解決實際問題。

在智慧交通方向，理論上已經(jīng)可以做路線最優(yōu)化的算法研究。具體案例包括Google和德國的大眾。2019年，這些公司已經(jīng)在用量子計算根據(jù)算法和交通數(shù)據(jù)控制了九輛車。

9輛車可能經(jīng)典計算機也能解決，但是，這標志著一個驗證，意味著量子計算可以用很簡單的模型就能做到控制車。隨著芯片的比特數(shù)量越來越多，它能控制的車的數(shù)量會非常容易達到指數(shù)級別增長。

量子計算加金融，也能夠用來解決金融領(lǐng)域的困難和問題，摩根大通和IBM共同研究了派生定價，二次加速量子算法。很多的銀行對這些算法也非常感興趣，都在和量子計算公司來進行實際的合作。

量子計算和生物醫(yī)藥這個方向的結(jié)合也非常吸引人。在過去的一段時間里面，很多公司或者是機構(gòu)已經(jīng)與醫(yī)院合作，已經(jīng)產(chǎn)生了很多的算法，包括怎么模擬分子、原子。

但是目前受限于芯片的發(fā)展，只能模擬氫分子的狀況，但隨著芯片比特數(shù)的發(fā)展，未來一定會模擬到更多的分子原子。還有復(fù)雜藥物的合成，量子計算的自然性非常適合用來模擬，可以縮短研發(fā)時間，能夠帶來很大的價值。

在航空航天領(lǐng)域，飛機氣流的一些變化，用當前的經(jīng)典計算機模擬非常困難。量子計算機則有非常多的優(yōu)勢。世界上的一些飛機制造商，或者是一些軍工企業(yè)，都開始用量子計算的方式來進行飛機機翼設(shè)計、空氣動力學(xué)等方面的模擬和研究。

整個量子計算的產(chǎn)業(yè)鏈，包括上游、中游、下游，都會帶動非常多的產(chǎn)業(yè)和企業(yè)發(fā)展，上游需要很多硅晶圓、靶材、耗材、特殊光刻膠。中游集聚了大量應(yīng)用場景，包括人工智能、智慧交通。下游當然是C端，大規(guī)商用到企業(yè)用戶。

量子計算就像是山洞一樣，我們并不知道山洞里面是寶藏，還是其他。西方的一些發(fā)達國家都在涌進去，中國沒有理由不進去。量子計算到底長什么樣，它是一個什么樣的形態(tài)，能不能做出來？我們堅信量子計算未來一定能進入人類的現(xiàn)實生活。

責任編輯：wv