量子計(jì)算的商用之路還要多久才走到

2019年可謂量子計(jì)算的光輝之年，量子計(jì)算在這一年中不僅取得了諸多突破性進(jìn)展，還連帶產(chǎn)生了大量創(chuàng)新式應(yīng)用，如德國(guó)HQS宣布通過(guò)量子計(jì)算機(jī)有效模擬化學(xué)工程，奔馳計(jì)劃用量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)新型電池材料，大眾汽車通過(guò)量子計(jì)算機(jī)測(cè)試現(xiàn)實(shí)世界的交通優(yōu)化情況等。

億歐智庫(kù)最新發(fā)布的《2020技術(shù)趨勢(shì)報(bào)告》中，通過(guò)技術(shù)篩選以及關(guān)鍵性指標(biāo)測(cè)評(píng)，將量子計(jì)算技術(shù)列為2020年之后的重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)。

量子計(jì)算是基于量子力學(xué)的新型計(jì)算方式，利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本單元，通過(guò)量子態(tài)的受控演化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)計(jì)算，量子計(jì)算包含量子處理器、量子編碼、量子算法、量子軟件以及外圍保障等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。

量子比特，堆砌量子計(jì)算超長(zhǎng)賽道

量子計(jì)算概念最早于20世紀(jì)80年代初期由費(fèi)曼（Richard Feynman）和馬寧（Yuri Manin）提出，初步描繪出量子現(xiàn)象具有潛在計(jì)算能力的發(fā)展愿景。

1985年，牛津大學(xué)的多伊奇（David Deutsch）提出了量子計(jì)算機(jī)的概念模型，即通用計(jì)算機(jī)（或叫量子圖靈機(jī)），量子計(jì)算此時(shí)開(kāi)始具備了數(shù)學(xué)的基本形式，任意一種量子算法均可以利用通用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

1998年，IBM、牛津、伯克利、斯坦福和麻省理工學(xué)院的研究人員首次制作了2比特的計(jì)算系統(tǒng)，此后便拉開(kāi)了量子計(jì)算的競(jìng)賽序幕。

可能大家對(duì)量子比特的意義相對(duì)陌生，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力是由量子比特?cái)?shù)量來(lái)確定，通過(guò)設(shè)置量子比特，利用量子門讓它們處于糾纏態(tài)，并操縱它們各個(gè)狀態(tài)出現(xiàn)的可能性，以此達(dá)到并行計(jì)算能力。因此，量子比特?cái)?shù)是衡量量子計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。

2018年，谷歌則已經(jīng)成功研制出72量子比特芯片，并宣稱這款量子芯片的錯(cuò)誤率僅為1%，達(dá)到了實(shí)際使用的要求。2020年2月，英特爾公司宣稱，與荷蘭量子技術(shù)研究中心共同開(kāi)發(fā)的低溫量子控制芯片“馬嶺（Horse Ridge）”有潛力同時(shí)控制最多128個(gè)量子比特；同時(shí)，初創(chuàng)企業(yè)Rigetti Computing也正計(jì)劃部署一個(gè)128量子位量子計(jì)算系統(tǒng)。

量子處理器，量子計(jì)算的核心博弈

雖然IBM、英特爾和谷歌等巨頭公司在量子比特方面不斷獲得突破，但都只是在量子處理器的核心方面，通過(guò)物理體系構(gòu)建量子比特載體，目前世界上已經(jīng)形成了超導(dǎo)、離子阱、半導(dǎo)體、中性原子、光量子、金剛石色心和拓?fù)涞榷喾N技術(shù)路線。

在科研界，普遍較多采用光學(xué)體系、離子阱等技術(shù)來(lái)做量子計(jì)算研究;而在企業(yè)工程化方向上，主流企業(yè)是在超導(dǎo)和半導(dǎo)體方向上進(jìn)行研究突破，如谷歌、IBM主要技術(shù)路線為超導(dǎo)體系，英特爾主要技術(shù)路線為半導(dǎo)體體系。

在眾多主流技術(shù)路線中，超導(dǎo)技術(shù)和離子阱技術(shù)目前具有相對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，其中，超導(dǎo)量子計(jì)算是目前進(jìn)展最快的一種固體量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法。2019年，谷歌在一臺(tái)53量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行隨機(jī)量子線路采樣任務(wù)，并與模擬超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算原理和技術(shù)潛力的優(yōu)勢(shì)證明，谷歌當(dāng)時(shí)更是直接宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

隨后，IBM對(duì)谷歌的說(shuō)法進(jìn)行了反駁，聲稱谷歌的“量子霸權(quán)”證明存有缺陷，并通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力再次進(jìn)行了對(duì)比證明，花了2.5天就完成了谷歌量子處理器的計(jì)算任務(wù)。不論雙方最終誰(shuí)被證明是正確的，不可否認(rèn)的是，谷歌實(shí)驗(yàn)的確證明了量子計(jì)算的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并在量子計(jì)算的第一階段取得了重要突破。

這里需要解釋一下什么是量子霸權(quán)，量子霸權(quán)又叫量子優(yōu)勢(shì)，即在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻，功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎不可能完成的任務(wù)，打破經(jīng)典計(jì)算機(jī)所遵循的“摩爾定律”。 比如在一天之內(nèi)破解原本幾萬(wàn)年才能破解的密碼、實(shí)現(xiàn)通用人工智能等等。

谷歌、IBM等巨頭公司之所以會(huì)在量子霸權(quán)上進(jìn)行爭(zhēng)奪，是因?yàn)槁氏冗M(jìn)入量子霸權(quán)后，不僅是對(duì)企業(yè)技術(shù)實(shí)力最好的證明，同時(shí)也會(huì)為企業(yè)帶來(lái)巨大的商業(yè)價(jià)值。

2019年底，中科大在玻色取樣方面的研究成功也使得光量子技術(shù)路線得到進(jìn)一步追趕，但從整體應(yīng)用情況來(lái)看，目前尚無(wú)任何一種路線能夠完全滿足量子計(jì)算的實(shí)用化條件。

量子算法，推動(dòng)量子計(jì)算發(fā)展的“活力劑”

量子處理器可應(yīng)用之后，如果想要實(shí)現(xiàn)具體問(wèn)題的解決，就必須要有相對(duì)應(yīng)的算法。

在量子算法方面，1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家彼得·肖爾（Peter Shor）提出基于量子并行計(jì)算的大數(shù)質(zhì)因子分解算法，并證明量子計(jì)算可以攻破當(dāng)時(shí)廣泛使用的公鑰SPA體系;1996年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的格魯弗（Grover）提出了量子搜索方法，可以快速搜索未排序的數(shù)據(jù)庫(kù)。Shor算法和Grover算法為量子計(jì)算機(jī)找到了可能的實(shí)際應(yīng)用，也被稱為經(jīng)典量子算法。

此后，包括QEA算法、Grover算法， HHL算法、量子遺傳算法、量子蟻群算法等各類算法層出不窮，對(duì)量子計(jì)算并行處理解決具體計(jì)算困難問(wèn)題提供了重要支撐，基于量子處理器的量子計(jì)算云平臺(tái)成為算法研究應(yīng)用發(fā)展的主要形式。

目前，關(guān)于量子算法的推進(jìn)速度遠(yuǎn)超量子處理器的的研發(fā)速度。因?yàn)槎鄶?shù)企業(yè)開(kāi)始采用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子芯片的計(jì)算方式，在虛擬化境下進(jìn)行量子算法演繹，等量子算法成熟后，再反向推動(dòng)專用量子芯片的設(shè)計(jì)，用以解決某一領(lǐng)域的具體問(wèn)題。

如2017年，IBM便發(fā)布了全球首個(gè)通用量子計(jì)算云服務(wù)。2018年，本源量子計(jì)算云平臺(tái)成功上線;中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院與阿里云宣布，在超導(dǎo)量子計(jì)算方向發(fā)布11比特的云接入超導(dǎo)量子計(jì)算服務(wù)。2019年，華為在HiQ量子云平臺(tái)基礎(chǔ)上推出了昆侖量子計(jì)算模擬一體機(jī);微軟、亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)巨頭也相繼推出量子云平臺(tái)。

量子計(jì)算云平臺(tái)具有兩大優(yōu)勢(shì)，一方面用戶可以在云端的量子處理器上運(yùn)行自定義的各種量子線路代碼，不僅能用于了解處理器的性能、技術(shù)瓶頸等重要特性，還將幫助到下一代處理器開(kāi)發(fā)，為優(yōu)化應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn);另一方面，通過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子芯片的工作原理和運(yùn)行邏輯，可以率先進(jìn)行量子算法和軟件的開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證。

專用量子計(jì)算曙光初現(xiàn)，通用量子計(jì)算任重道遠(yuǎn)

相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算具有指數(shù)量級(jí)的運(yùn)算能力，在解決諸如新一代信息技術(shù)和人工智能所帶來(lái)的龐大數(shù)據(jù)處理問(wèn)題時(shí)，擁有經(jīng)典計(jì)算無(wú)法比擬的巨大信息攜帶和超強(qiáng)并行處理能力。當(dāng)前階段，量子計(jì)算的主要應(yīng)用目標(biāo)是解決大規(guī)模數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和特定計(jì)算困難問(wèn)題。

產(chǎn)業(yè)層面，量子計(jì)算已經(jīng)形成了政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)協(xié)同合作的發(fā)展格局，并在容錯(cuò)量子和演示量子方面均取得了里程碑式的進(jìn)展，但離實(shí)用化仍有較大距離。雖然D-Wave和IBM都已經(jīng)宣稱擁有可商用量子計(jì)算機(jī)，但距離量子計(jì)算的真正商業(yè)化落地還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。

量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展要經(jīng)歷三個(gè)階段，第一個(gè)就是量子霸權(quán)。第二階段是實(shí)用化量子模擬機(jī)，能被運(yùn)用到機(jī)器學(xué)習(xí)、藥物開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。第三階段，量子計(jì)算機(jī)達(dá)到通用可編程水平，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。

從最終實(shí)用化階段來(lái)看，量子模擬器和通用量子計(jì)算機(jī)在分子結(jié)構(gòu)解析、人工智能、大數(shù)據(jù)處理、密碼技術(shù)方面的顛覆性影響，將成為量子計(jì)算的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)，并有望應(yīng)用于能源化工、生物科技、航空航天、信息通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等商業(yè)領(lǐng)域。

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