“量子“和“量子計算”到底是什么？

隨著人工智能大模型、量子計算、類腦智能、云原生、數(shù)字引擎、音視頻等技術(shù)的深入發(fā)展，新技術(shù)、新模式和新業(yè)態(tài)持續(xù)涌現(xiàn)。針對上達領(lǐng)域，我們策劃了一個科普系列欄目《T-chat前沿?zé)狳c問答》，以十問十答的形式，用通俗的語言，與大家交流最新、最熱的前沿科技話題。本文是T-Chat 系列第二篇。也歡迎大家指導(dǎo)，并提出感興趣的問題一起研究，持續(xù)送代認知，共同進步。

除了巧思妙答的ChatGPT以外，近期另一個引人關(guān)注的熱點話題，就是量子計算機了。它一邊在科幻電影《流浪地球2》中，扮演擁有強大能力和智慧的未來計算機“MOSS”，一邊又以“The Quantum Leap”（量子飛躍）為題，登上著名期刊《時代》雜志的2月封面?？蓪τ谝话愦蟊妬碚f，在網(wǎng)絡(luò)上看到的詮釋和解讀，似乎只能帶來高深莫測的模糊感；一連串似懂非懂的概念，也只能淪為談資里似懂非懂的只言片語。

那么，對于量子計算機，我們究竟應(yīng)該如何理解呢？它和ChatGPT有什么關(guān)系？身處數(shù)字時代的嶄新階段，我們又應(yīng)該如何正確認識它、利用它、并對它有一個更加現(xiàn)實的期待呢？量子計算十問十答為你一一道來。 ? ?

“量子“和“量子計算”，

到底是什么？

量子計算，是基于量子力學(xué)原理，通過控制一定數(shù)量的量子單元，來進行計算的一種新型計算模式。而量子計算機，正是用來實現(xiàn)和使用量子計算能力的計算機系統(tǒng)。

量子（英文：Quantum），是一個現(xiàn)代物理學(xué)的重要概念，被認為是組成浩瀚宇宙、世間萬物最小的、不可再分割的物理量單位。比如太陽光，是由光子組成，而光子所攜帶的能量目前還不能被進一步分割，所以光子可以叫做量子。此外，電子、中微子和夸克也都可以叫做量子。而原子、離子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，它們所攜帶的能量因條件不同而不同，所以不能簡單判斷是否能叫做量子。 ? 量子的物理特性，與自然界中的物體（如足球，飲料瓶）完全不同，甚至超出我們一般人的常識和想象：比如量子既可以像被踢出的足球一樣在空中延曲線飛行，也可以像水波一樣上下波動地向前飛行；又比如將一只飲料瓶靜置在水平桌面上，瓶子只能保持“正立”、“倒立”和“橫躺”這三種狀態(tài)中的一種，而同樣靜置桌面的量子，卻可以同時保持“正立”、“倒立”和“橫躺”這三種狀態(tài)。

100多年前，普朗克、愛因斯坦等著名物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)了這些微觀粒子特有的物理特性，并最終將這些特性，總結(jié)為現(xiàn)代物理兩大理論基石之一的“量子力學(xué)”。我們可以把基于量子力學(xué)原理進行信息化應(yīng)用的技術(shù)，統(tǒng)稱為量子信息技術(shù)，主要包含量子計算、量子通信和量子測量。

量子計算機為什么

對我們很重要？

從科技角度看，掌握量子計算技術(shù)，就掌握了未來發(fā)展的先機。2023年，我們已經(jīng)身處數(shù)字世界，城市運行、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活，都在不停產(chǎn)生、處理和交換著信息。而廣泛存在于智能設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和云平臺中的計算能力（簡稱“算力”），是支撐這一切最根本、最關(guān)鍵的能力。

目前，算力是基于我們熟知的、以CPU為核心的計算技術(shù)來實現(xiàn)的；而未來，量子計算技術(shù)，則是更先進、更有希望實現(xiàn)未來算力的下一代計算技術(shù)。量子計算技術(shù)猶如科技巔峰上的一顆璀璨明珠，備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。

從社會角度看，量子計算機是先進數(shù)字生產(chǎn)力的代表。業(yè)界公布的一些量子計算機原型機，如谷歌“懸鈴木”、IBM Q System以及我國中科院的“九章”，在科研實驗中逐步展現(xiàn)了一些算力優(yōu)勢：在完成特定計算任務(wù)時，能展現(xiàn)比超級計算機高數(shù)千倍以上的計算效率。材料、醫(yī)藥、金融、物流、制造等眾多行業(yè)紛紛開始關(guān)注、探索與嘗試。而量子計算機在信息安全、高性能計算領(lǐng)域的影響力，也已基本成為業(yè)界共識，引起各國高度重視。目前已有十余個國家公布量子計算相關(guān)戰(zhàn)略，量子計算機的研發(fā)一時成為國際熱點。

對于咱們老百姓，量子計算機離我們還有些遠，但值得期待。雖然量子計算機的成熟應(yīng)用，預(yù)計還要數(shù)十年甚至更長的時間，但是它在一些細分場景的逐步應(yīng)用，應(yīng)該會在不久的將來，給我們帶來一些驚喜。比如，輔助研制疑難雜癥特效藥、加快研發(fā)更輕便舒適的新型布料，等等。當(dāng)然，量子計算機作為商品走進千家萬戶，可能還是更遙遠的事情，不過誰也無法預(yù)測技術(shù)發(fā)展與普及的速度。

量子計算機和我們常見的

計算機，有哪些區(qū)別？

量子計算機的最小計算元件，要比普通計算機（智能手機、筆記本電腦、工控機、服務(wù)器等）的先進得多，強大得多。這是兩者最根本的區(qū)別，并由此衍生出其他7個方面的區(qū)別。

這個問題的答案稍有些難懂，不過我們盡量以通俗的方式來講解。如果你能耐心看完下面的敘述，并嘗試弄懂它，那你就初步掌握了理解甚至預(yù)測未來數(shù)字文明趨勢的密碼。

首先，想要理解兩者的區(qū)別，要先了解一些基礎(chǔ)知識：

數(shù)學(xué)，是人類最古老的一門科學(xué)，也是人類科學(xué)最基礎(chǔ)的學(xué)科之一，幫助人們從數(shù)字的角度認識世界，并在世界中生存。

計算工具，是人們?yōu)榱四芨玫剡\用數(shù)學(xué)而發(fā)明的工具。比如算盤，電子計算器，計算機。通常，人們先將要解決的問題進行拆解和抽象，成為若干輸入條件和數(shù)學(xué)模型，再使用計算工具來進行計算，最終從計算結(jié)果中獲得解決問題的參考。

最小計算元件，是計算工具可以操作（寫入，存儲，讀?。┑?、表示計算數(shù)值的最小物理元件。最小計算元件的先進性，很大程度決定了一類計算工具的計算能力上限。那么不同的計算工具的最小計算單元是怎樣的呢？

算盤：算盤的最小計算元件，是算盤下排的一個算珠，表示的計算數(shù)值是1，向上撥表示+1，向下?lián)鼙硎?1； ? 普通計算機：對于我們現(xiàn)在常用的智能手機、筆記本電腦、工控機、服務(wù)器等普通計算機來說，最小計算單元是中央處理器（CPU）上的一個晶體管，可以表示的數(shù)值是0或1。當(dāng)晶體管通電時，表示1，當(dāng)晶體管斷電時，表示0。一個晶體管在經(jīng)典計算原理中，代表一個二進制數(shù)位，叫做比特（英文：Bit）； ? 量子計算機：量子計算機的最小計算單元是量子計算機核心組件 - 量子處理器（QPU）上的一個量子，可以表示的數(shù)值可以是0，或者1，或者是0和1的一系列概率上的組合（比如：80%的0+20%的1，或者40%的0+60%的1，等等。這里比較難懂，不用理解，知道就好）。當(dāng)人們通過量子計算機的輸入設(shè)備，給量子發(fā)射特定的電脈沖，來使量子表示不同的數(shù)值。一個量子在量子計算原理中，代表一個最小計量單位，叫做量子比特（英文：Qubit）。

到這里我們可以發(fā)現(xiàn)，一個量子，可以表示的計算數(shù)值，比一個晶體管要多很多。這好比孫悟空和普通人相比，本領(lǐng)更大；進一步，因為量子的“疊加態(tài)”特性，一個量子可以同時保持多種狀態(tài)，也就意味著它可以同時表示多個計算數(shù)值。這就好比孫悟空不僅本領(lǐng)大，還同時有多個分身，每個分身都和他一樣強大。

了解完根本區(qū)別后，就開始揭曉“量子計算機和我們常見的計算機，有哪些區(qū)別”的其余答案：

1、制造最小計算元件的技術(shù)不同（量子芯片工藝）：量子計算機的芯片，目前有超導(dǎo)、光量子、離子阱等多種技術(shù)路線制備，而經(jīng)典計算機的芯片，主要采用***；

2、單個芯片內(nèi)包含的最小計算元件數(shù)量不同：最新的英偉達GPU H100，包含約500億個晶體管，而IBM最新公布的量子芯片Osprey僅包含433個量子；

3、計算能力的不同：僅擁有約50個量子的量子計算機，在完成特定計算任務(wù)時，已經(jīng)可以比現(xiàn)在算力最強的經(jīng)典計算機快數(shù)千、甚至數(shù)萬倍以上；

4、硬件系統(tǒng)不同：由于芯片工藝不同，且處于研發(fā)早期，相比經(jīng)典計算機，目前的量子計算機均需要專門的配套設(shè)備和系統(tǒng)。比如：制冷機，數(shù)模控制系統(tǒng)等等。這也使得目前的量子計算機從外觀上顯得比較笨重，有些像60年前剛問世不久的電子計算機；

5、軟件系統(tǒng)不同：一方面，量子計算的算法和應(yīng)用程序，都需要適配量子計算原理，和經(jīng)典計算機有很大不同。不過很多研發(fā)團隊已推出量子計算軟件開發(fā)工具（如IBM的Qiskit，谷歌的Cirq等），使開發(fā)更加便捷；另一方面，無論是算法還是應(yīng)用程序，因為要轉(zhuǎn)換成量子可以運行的指令，量子計算機需要專門的編輯器，對軟件進行編譯；

6、應(yīng)用領(lǐng)域不同：業(yè)界一般認為，當(dāng)前的量子計算機，相比經(jīng)典計算機，會在以下的一些領(lǐng)域應(yīng)用更廣：材料和藥物研發(fā)，金融投資組合優(yōu)化，物流調(diào)度，機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，氣象預(yù)測等，而經(jīng)典計算機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于所有領(lǐng)域，帶動著整個社會的數(shù)字化。

7、技術(shù)成熟度不同：經(jīng)典計算機自1946年第一臺電子計算機問世以來，歷經(jīng)60余年，技術(shù)、工藝和產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)趨于成熟，既可做得如智能手表一樣小巧，又能在一塊芯片上集成幾百億個晶體管；而量子計算機的工程研發(fā)是從2012年前后才真正開始，到現(xiàn)在僅有10年，目前公布的量子計算機，更像是原型機和技術(shù)驗證機，各項技術(shù)、工藝、以及產(chǎn)業(yè)鏈都還不穩(wěn)定，更談不到完善。

“量子體積”越大，

量子計算機就越厲害嗎？

首先直接回答問題：量子體積的確是評測量子計算機綜合性能的重要指標(biāo)。

為什么會有“量子體積”這個概念呢？這是業(yè)界為了更準(zhǔn)確描述不同技術(shù)路線的量子計算機的性能，而引入的一個與硬件無關(guān)的指標(biāo)。量子體積表示了量子計算機可以成功實現(xiàn)的方形量子電路的最大尺寸。通俗來說，這個性能指標(biāo)與量子比特的數(shù)量、量子電路最大深度、保真度、連通性、串?dāng)_等物理指標(biāo)相關(guān)。通常來說，量子計算機的量子體積越大，可以解決的問題就越復(fù)雜。

年初上映的《流浪地球2》讓量子計算機又火了一把，影片中也出現(xiàn)了量子體積這個概念。但值得一提的是，雖然MOSS非?？苹?，但其標(biāo)稱的8192的量子體積，顯然是描述得過小了。2022年10月，量子計算公司Quantinuum就已在20比特的離子阱量子計算機中實現(xiàn)了8192這一目標(biāo)，只不過量子計算原型機離實用化還有相當(dāng)長的路要走。

作為一個性能衡量指標(biāo)，現(xiàn)階段量子體積顯示出了一定的科學(xué)性和通用性。但隨著量子芯片工藝的飛速發(fā)展，未來可能會有更多相關(guān)的評價指標(biāo)出現(xiàn)。如IonQ公司目前就引入了“算法量子位”的指標(biāo)替代量子體積。在量子計算機逐步實現(xiàn)的過程中，可以預(yù)見會有更多更適應(yīng)技術(shù)演進的評價指標(biāo)出現(xiàn)。

量子計算機，

真的“無所不能”嗎？

“無所不能”這個詞有些科幻，更適合形容像《流浪地球2》中的智能計算機，在未來的通用性和泛在性：能夠廣泛地應(yīng)用于我們工作和生活的各個領(lǐng)域，遠到完成復(fù)雜的科學(xué)計算，預(yù)警木星危機，中到模擬數(shù)字生命圖丫丫，近到和我們聊聊天，幫我們打開房間里的臺燈……

但量子計算機不是萬能的。雖然從現(xiàn)實的角度看，未來的計算機越來越強大的趨勢是比較明確的，隨時、隨地、隨處可用的未來計算機服務(wù)也是可以預(yù)期的，但是計算機依然不是“無所不能”的。而這是由計算機的理論基礎(chǔ)——數(shù)學(xué)決定的。數(shù)學(xué)有一個分支叫做可計算性理論和計算復(fù)雜性理論，它告訴我們，世界上的很多問題，是無法通過計算來解決的，無論采用什么計算工具，量子計算機也不例外。

那既然量子計算機不是無所不能，那它能做什么，或者說擅長什么樣的計算任務(wù)呢？

從數(shù)學(xué)的角度看，計算復(fù)雜性理論中，有一類問題叫做“BQP問題”，是理論上可以由量子計算機多項式時間內(nèi)可以解決的問題。典型的BQP類問題有：整數(shù)分解問題，離散對數(shù)問題，模擬量子系統(tǒng)中的一些問題等等。由此看來，在目前數(shù)學(xué)能夠認知的問題領(lǐng)域中，量子計算機能夠解決的問題，只是其中一部分。

簡單總結(jié)，量子計算機更適合計算那些如果用經(jīng)典計算機來計算，即使用最好的算法，計算量也非常大的一部分問題。一個形象的例子，就是“大海撈針”問題：解這道題的算法很簡單，就是找遍大海的每一個針可以掉落到的角落。但是這道題的工作量巨大，需要搜尋整個廣袤的大海，從海面、到海底。類似的問題，還包括在沒有索引的情況下，在一個電話簿里查一個號碼，在海量人臉中找到你的頭像，等等。即使如此，BQP一類問題也已經(jīng)可以映射到金融投資組合優(yōu)化、物流和交通優(yōu)化等許多應(yīng)用場景。如果量子計算機未來真正解決了這些問題，對社會的貢獻也是巨大的。

值得一提的是，當(dāng)前熱議的ChatGPT等人工智能大模型技術(shù)的研發(fā)，也可能和量子計算相關(guān)。雖然還沒有確定性的答案，但量子計算有希望在模型壓縮、以及訓(xùn)練速度和模型性能等環(huán)節(jié)，對大模型的研發(fā)和提升起到積極作用，值得進一步關(guān)注。

從物理的角度看，量子計算機利用的是微觀粒子的的特殊力學(xué)原理來實現(xiàn)計算的，所以那些同樣以量子力學(xué)為基礎(chǔ)理論的科研及實際應(yīng)用問題，理論上就更加適合由量子計算機來解決。我們可以直接想到的，如計算化學(xué)，分子模擬，新材料研發(fā)，醫(yī)學(xué)藥品研發(fā)等等。這些問題都是在研究和利用原子分子級別的物質(zhì)特性，研制具有特殊性能的、大自然中不存在的原子或者分子結(jié)構(gòu)。量子計算機很可能是未來更優(yōu)的選擇。

再簡單說下量子計算機不擅長的。由于量子計算機的實現(xiàn)原理，目前的量子計算機的研發(fā)過程中，存在一個重大的難題：噪聲問題。簡單說，就是在操作量子進行計算的時候，量子本身的穩(wěn)定性、量子之間相互的影響以及操控動作本身，均會產(chǎn)生計算任務(wù)本身不需要的干擾。而這些干擾會直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至?xí)斐捎嬎阒袛嗪褪　ｋm然科學(xué)家在不斷改進量子的退相干和糾錯技術(shù)，提高計算準(zhǔn)確的概率，但依然達不到百分之百。

當(dāng)前的量子計算機還不能直接計算出一個結(jié)果，只能在一定的概率下，通過觀測得到一個確定的結(jié)果。就好比讓現(xiàn)在的量子計算機計算“1+1”，只有一定的概率可以得到2的結(jié)果，更不要說讓量子計算機來計算更復(fù)雜的問題了。

雖然經(jīng)典計算機也會算錯，但經(jīng)典芯片已具備自動發(fā)現(xiàn)錯誤和修復(fù)的能力，因此最終可以得到準(zhǔn)確結(jié)果。所以這一類精確的數(shù)值計算問題和邏輯判定問題，當(dāng)前水平的量子計算機相比經(jīng)典計算機，是不擅長的。但是，量子計算領(lǐng)域也在研發(fā)適合量子特性的糾錯技術(shù)，量子糾錯碼和量子容錯理論可以通過精巧的數(shù)學(xué)設(shè)計，用多個不完美的量子比特產(chǎn)生更為完美的量子比特，并通過特定容錯量子操作，來實現(xiàn)更多步驟，實現(xiàn)更精確計算。最終，隨著采用的糾錯碼越來越強大，最終可以將整個計算過程的錯誤率控制到接近于零。這樣，量子計算機就可以精準(zhǔn)進行我們想要實現(xiàn)的計算了。

怎么造出“全知全能”的

“未來計算機”？

上個問題我們討論到，計算機并不是無所不能的，但以目前人類的科技實力，造出具備超越人類知識和智慧的能力、解決復(fù)雜科學(xué)難題、甚至支撐“元宇宙”這樣龐大虛擬世界體系的強大“未來計算機”，也不是完全不可能。正如人類數(shù)百年前發(fā)明第一臺蒸汽機，而后逐步迭代技術(shù)和組織形式，建立工業(yè)生產(chǎn)線和產(chǎn)業(yè)鏈一樣，未來計算機的制造，也要緊跟不斷演進的計算科學(xué)技術(shù)，逐步實踐、迭代和研發(fā)，多方主體共同努力能有機會實現(xiàn)。

“擅長的人做擅長的事”，這是目前行業(yè)對于未來計算機發(fā)展的一個比較明確的共識，換句話說，就是把不同的計算任務(wù)，分配給擅長的計算單元和計算系統(tǒng)來完成。之前提到，經(jīng)典計算機和量子計算機有各自擅長的計算任務(wù)，所以如果設(shè)想未來計算機的制造思路，一個非常重要的舉措就是：造出量子計算機，并將量子計算機與經(jīng)典計算機相結(jié)合，進行系統(tǒng)集成甚至連接成算力網(wǎng)絡(luò)。

制造量子計算機和經(jīng)典計算機類似，也要先造出硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

制造量子計算機的硬件系統(tǒng)，由于目前尚處于早期研發(fā)階段，技術(shù)難度相對高很多。首先，需要制造量子計算機的核心計算單元——量子處理器（英文簡稱QPU，也稱量子芯片）。QPU是制備和保存量子計算的最小計算單元“量子比特”的硬件系統(tǒng)，功能類似CPU。目前制備量子比特的技術(shù)路線至少有7種，被頭部量子計算機研發(fā)機構(gòu)采用的，有超導(dǎo)量子、光學(xué)量子、和離子阱，還有中性冷原子、量子點、金剛石NV色心、拓撲量子等，也均在不斷研發(fā)中。

其次，有了QPU，還需要QPU運行起來，產(chǎn)生量子以及操控量子進行計算。所以還需要一系列的配套系統(tǒng)。常見的配套系統(tǒng)有：測控系統(tǒng)、低溫設(shè)備和組件，超高真空腔、激光器、光子探測器等等。QPU和配套系統(tǒng)，組成量子計算機的“主機”。

第三，量子計算機的輸入輸出，目前還需要經(jīng)典計算機的輔助，所以量子計算機的主機通常會連接若干經(jīng)典計算機，便于操作人員通過鍵盤鼠標(biāo)輸入計算任務(wù)，或者從其他計算機系統(tǒng)中導(dǎo)入計算任務(wù)。 ? 量子計算機同樣需要軟件。首先，需要一系列底層軟件，類似現(xiàn)在的“主板驅(qū)動”和“操作系統(tǒng)”，來管理和操控量子計算機硬件，編譯和運行量子計算軟件；其次，需要“編程語言和工具”，來編寫量子軟件和算法，因為量子計算機的原理和普通計算機不同，所以也需要特殊的語言和工具；第三，為了解決現(xiàn)實中的實際問題，量子計算機需要安裝對應(yīng)的量子軟件，如量子化學(xué)分析軟件，量子模擬軟件等；第四，在量子軟件內(nèi)部，一般裝載著相關(guān)的量子算法，來完成計算工作；

QPU、配套系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、底層軟件、編程語言和工具、應(yīng)用、算法，這些硬件和軟件系統(tǒng)需要同時協(xié)同運行，才能真正發(fā)揮量子計算機的卓越算力，為社會實際創(chuàng)造價值。

將以QPU為計算核心的量子計算機，與以CPU+GPU為計算核心的經(jīng)典計算機相結(jié)合的科研探索，已經(jīng)在高性能計算領(lǐng)域首先開始。高性能計算，是追求極致算力的計算機領(lǐng)域，它引領(lǐng)了整個計算機行業(yè)的發(fā)展，很多計算機行業(yè)的技術(shù)，如Hadoop等，都是由高性能計算領(lǐng)域首先研發(fā)出來的。國際上如IBM量子計算團隊已將量子計算機作為其下一代高性能計算的核心，而“歐洲高性能計算聯(lián)合項目（EUroHPC JU）”已展開將量子計算機與超級計算機進行集成的實驗研究；芯片公司英偉達也在前不久推出了可以融合量子計算和高性能計算資源調(diào)用的混合計算平臺QUDA；亞馬遜、微軟等云計算服務(wù)商也已經(jīng)看準(zhǔn)了這個趨勢，將量子計算機的能力搬上云，先后開放了量子計算云平臺服務(wù)。CPU+GPU+QPU的高性能計算3.0時代已經(jīng)開啟。

相信隨著量子計算機研發(fā)的不斷進展，以及量子計算機與經(jīng)典計算機的相互結(jié)合與協(xié)同發(fā)展，強大的“未來計算機”一定會在不久的將來問世，在《流浪地球2》中類似的人類歷史時刻，承擔(dān)起舉足輕重的任務(wù)和責(zé)任。

量子計算現(xiàn)在有實際應(yīng)用了嗎？

近年來，沿著各條技術(shù)路線，量子計算機原型機的研發(fā)都取得了長足進展。盡管現(xiàn)階段的量子計算機離真正實用化還有非常長的距離，但目前能達到的工程水平，已經(jīng)大大超出了20年前科學(xué)家們最樂觀的預(yù)測?；仡欉^去的2022年，量子計算原型機領(lǐng)域涌現(xiàn)了不少新的發(fā)展成果，可謂是百花齊放、百鳥爭鳴。

其中超導(dǎo)量子計算機路線最為耀眼，一如既往的領(lǐng)跑。目前國內(nèi)外的科技公司大都選擇了超導(dǎo)路線進行長期布局和投入，在2022年均有不俗的成績單。IBM如期發(fā)布其433量子比特的量子計算芯片，為目前全球超導(dǎo)方向的最高水平，預(yù)計2023年將達到1000量子比特。Google則更關(guān)注量子比特的質(zhì)量，在量子糾錯方面取得了持續(xù)的進展。

離子阱路線的特點是比特的相干時間特別長，所以可以制備保真度很高的量子邏輯門（有點類似芯片上由晶體管組成的邏輯門），因而門保真度非常高。盡管離子阱量子計算機在比特數(shù)提升方面面臨的困難較多（～20比特），但其獨特的優(yōu)勢可通過前面討論過的指標(biāo)量子體積（QV）體現(xiàn)出來。2023年2月，領(lǐng)軍企業(yè)Quantinuum宣布基于其H1系列量子芯片，量子體積可達到32768（2的15次方），創(chuàng)造新紀錄。

光量子計算路線的原型機，一直是展示量子計算優(yōu)越性的重要載體。2022年6月，Xanadu基于其可編程光量子原型機，完成高斯玻色采樣實驗，再次展示了量子計算優(yōu)越性。中性原子路線則是2022年技術(shù)發(fā)展版圖中的黑馬。2022年9月，法國Pasqal 宣布推出324個原子（量子比特）的量子處理器。但其在工程層面的可用性還有待驗證。半導(dǎo)體量子計算路線也在2022年迎難而上，取得了不少進展。Intel公司在2022年10月刷新了硅自旋量子比特數(shù)量，達到12個，同時芯片生產(chǎn)的良率高達95%，是往商業(yè)化邁出的關(guān)鍵一步。

既然量子計算原型機已經(jīng)取得了如此多的進展，那么量子計算機現(xiàn)在是否有一些實際的可落地的應(yīng)用了呢？事實上，目前離量子計算機真正產(chǎn)生商業(yè)化應(yīng)用，仍然有很長一段距離。整體看，目前的量子計算原型機處于量子計算發(fā)展的初期階段，仍然處于在量子計算領(lǐng)域叫做NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）的時代。要達成運行類似Shor算法這類標(biāo)志性的量子算法和應(yīng)用，仍需大量科研工作者努力攻堅，實現(xiàn)量子糾錯，以及實現(xiàn)百萬量級的量子比特相干操縱。這個過程，普遍預(yù)測至少還需要10-15年時間的科研創(chuàng)新和工程技術(shù)積累。

那么NISQ時代的量子計算機就一無是處了么？并非如此。通過量子錯誤緩解、經(jīng)典-量子混合等方案，科學(xué)家們也非常積極地在挖掘現(xiàn)階段量子計算原型機的應(yīng)用潛力，用于探索解決包括金融、化工、生物、醫(yī)藥、航空和人工智能等領(lǐng)域問題的可能性。

金融領(lǐng)域的典型應(yīng)用場景包括投資組合優(yōu)化、高頻（量化）交易以及詐欺偵測等。化工領(lǐng)域典型應(yīng)用場景包括化學(xué)工業(yè)與催化劑設(shè)計。航空領(lǐng)域，目標(biāo)是利用量子算法幫助城市空中交通開發(fā)更多飛行路線、改善鐵路交通線路的重新調(diào)度等。人工智能領(lǐng)域，目標(biāo)是利用量子算法加快機器人的學(xué)習(xí)時間、使用最新的機器學(xué)習(xí)技術(shù)。

量子計算，

更適合做模擬仿真嗎？

量子計算能夠比經(jīng)典計算機更快地模擬量子力學(xué)系統(tǒng)的演化，這確實是量子信息科學(xué)前驅(qū)費曼當(dāng)初提出量子計算想法的最初動機。而使用量子計算機模擬量子系統(tǒng)，目前也被認為是量子計算最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一，并且可能是具有工業(yè)相關(guān)性的首批領(lǐng)域之一。

我們從材料科學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)和蛋白質(zhì)折疊三個例子來了解下。

量子計算能夠有效地模擬量子演化，在材料科學(xué)中具有重要的應(yīng)用。例如材料化學(xué)模擬中，一旦自旋數(shù)大于大約 100，某些磁性模型就完全無法在經(jīng)典計算機上進行模擬。但是，據(jù)估計，使用具有 50 萬量子比特的量子計算機可以在大約一個小時內(nèi)模擬此類系統(tǒng)。對于更復(fù)雜的系統(tǒng)，所需的量子比特資源可能更多。但較傳統(tǒng)計算方法，量子計算機的引入大大擴展了可探索的科學(xué)問題邊界，未來有望應(yīng)用于新穎特性材料的開發(fā)工作中。

藥物發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用也是一個活躍的領(lǐng)域。原則上，量子計算機可以準(zhǔn)確模擬使用傳統(tǒng)計算方法根本無法模擬的小藥物分子的特性。在這一點上，可以說量子計算機是占了優(yōu)勢。然而，該優(yōu)勢是否大到足以在實踐中對藥物開發(fā)公司有用，目前仍在積極研究之中。

例如，如果一個分子根本無法使用經(jīng)典計算機建模，但可以使用數(shù)百萬個量子位在幾個月內(nèi)建模，這是否具有實際優(yōu)勢？如果這種藥物可以治愈嚴重的疾病，那么在某種意義上確實是一種優(yōu)勢。量子硬件和算法也有可能改進到計算過程所消耗的時間和量子比特要求明顯減少的程度。

量子計算也被研究用于對蛋白質(zhì)等較大分子折疊的方式進行建模，這是一個眾所周知的難以在經(jīng)典計算機上解決的問題，即使使用 AlphFold 等機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的突破性技術(shù)也是如此。同樣，眾所周知，這是量子計算機在理論上具有優(yōu)勢的領(lǐng)域，盡管實際優(yōu)勢的問題類似于小分子的情況。

目前國內(nèi)外有哪些

公司和機構(gòu)在做量子計算？

據(jù)麥肯錫《量子科技觀察》的統(tǒng)計，目前國內(nèi)外從事量子計算的企業(yè)和機構(gòu)總數(shù)已經(jīng)超過450家，分別在量子芯片、量子計算機系統(tǒng)、量子算法、量子軟件開發(fā)工具、量子應(yīng)用軟件、量子云平臺等方面投入研究和研發(fā)。從事量子計算的企業(yè)和機構(gòu)，可以大致分為4類：頭部信息與科技企業(yè)，國家級科研機構(gòu)，初創(chuàng)公司和科研院校。

頭部信息與科技企業(yè)，如IBM、谷歌、微軟、英特爾、霍尼韋爾、英偉達、亞馬遜、日立、NEC、阿里巴巴、華為、百度、騰訊等；

國家級科研機構(gòu)，如美國的費米國家實驗室和阿貢國家實驗室，國內(nèi)的中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院，等；

初創(chuàng)企業(yè)，大都是在2015年以后成立，比較有代表性的有D-Wave、Rigetti、Xanadu、IonQ、Quantinuun、本源量子、國盾量子等；

科研院校，如MIT麻省理工大學(xué)、哈佛大學(xué)、馬克思普朗克學(xué)會、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、東京大學(xué)、劍橋大學(xué)等等。

量子計算在實際應(yīng)用前，還有

哪些工作要做？怎么才能

加快實現(xiàn)實際應(yīng)用？

量子計算機在實際應(yīng)用之前，還有很長的路要走。

從系統(tǒng)角度看，硬件方面，要提高量子比特數(shù)量和質(zhì)量，提升量子糾錯技術(shù)和操控觀測技術(shù)水平，還要完成量子計算機制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化，運行成本優(yōu)化，運行能效優(yōu)化；軟件方面，需要研發(fā)具有實際應(yīng)用價值的量子算法，以及量子應(yīng)用軟件開發(fā)；而理論方面，還要完成計算優(yōu)越性的嚴謹數(shù)學(xué)證明、經(jīng)濟價值的大量實驗和科學(xué)論證，等等。

從代際角度看，量子計算機還要經(jīng)歷“含噪聲中等量子規(guī)模量子計算機”的NISQ時代，最終達到具備足夠量子數(shù)量和質(zhì)量的“容錯量子計算機”FTQC時代。

圖源：信息通信技術(shù)與政策2020年第七期，量子計算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用分析

從量子計算機研發(fā)的整體來看，想加快實現(xiàn)量子計算機的實際應(yīng)用，除了更加堅定地研發(fā)、實踐和反思、砥礪前行以外，似乎并沒有什么捷徑。古訓(xùn)道：“不積小河，無以成江海。不積跬步，無以至千里?！笨萍嫉难邪l(fā)和應(yīng)用，急不得。

尤其對于量子計算等前沿探索性科技來說，更加需要科技界和工業(yè)界長期持續(xù)的合作研究和實驗，甚至是反復(fù)的試錯。經(jīng)典計算機技術(shù)的成熟和普及，也歷經(jīng)了40年；量子計算機的研發(fā)，才開始了20年，并不算長。

以 IBM為例，IBM開展量子計算研發(fā)已有12年，是最早投入研發(fā)量子計算機的前驅(qū)企業(yè)之一。2011年，IBM便開始進行量子計算機理論和實驗研究；2016年，IBM首次將量子處理器放在云上提供實驗服務(wù)；2020年，IBM在投入量子計算研發(fā)10年后，公布了自己從2019-2023年的研發(fā)路線圖，更加篤定地前進著；2022年，IBM更新了自己的路線圖至2025年，并調(diào)整了2022年以后的技術(shù)路線。

可以看出，IBM很可能是在大量的實驗、試錯甚至是商業(yè)化考慮后，才實現(xiàn)了技術(shù)更新；令人欣慰的是，自2020年以后，IBM一直堅定履行著自己公布的路線圖和里程碑計劃，不斷為量子計算機技術(shù)的發(fā)展做出關(guān)鍵的貢獻。2022年12月，IBM更是如期交付了可以制備433個量子比特的Osprey超導(dǎo)量子芯片，超導(dǎo)量子計算機的研發(fā)向前邁出了堅實的一步。

又如谷歌，也是在2015年前便開始投入量子計算機的研究。到現(xiàn)在的近8年時間里，行業(yè)乃至整個社會，對于量子計算機的認識在不斷增強，甚至不時出現(xiàn)過度炒作的現(xiàn)象，很多人甚至認為量子計算機會在幾年內(nèi)就可以商用了。而直到今年，也就是2023年2月，谷歌才在《自然》雜志上發(fā)布了自己在量子糾錯領(lǐng)域的進展，初步通過嚴謹?shù)目茖W(xué)實驗證明，量子糾錯確實可以改進量子計算的準(zhǔn)確性，而這才僅僅是谷歌實現(xiàn)可用量子計算機的第二個步驟。距谷歌所規(guī)劃的、2029年實現(xiàn)真正商用的量子計算機，還有相當(dāng)一段距離。

從當(dāng)前量子計算機所處的NISQ時代來看，在現(xiàn)有量子計算機硬件的條件下，找到更多兼具計算優(yōu)越性和實際經(jīng)濟價值的算法、以及面向?qū)嶋H應(yīng)用場景的量子應(yīng)用軟件，被認為是當(dāng)前加速量子計算實際應(yīng)用的重要思路。

以量子算法為例，為了做到這一點，一方面需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界一起配合，在材料，制藥、金融、物理等真實場景中，不斷實踐如何合理地探索和部署量子算法，最終達到在某些場景中超越經(jīng)典計算的能力水平。另一方面，在這個階段，更多部署對公眾開放的量子計算機軟硬件平臺，可以加速產(chǎn)業(yè)界開發(fā)、部署和測試量子算法，快速篩選出潛在有價值的應(yīng)用。而這個過程也將反哺促進量子硬件和軟件應(yīng)用的發(fā)展。

量子計算，是劃時代的硬核科技，有望成為構(gòu)筑未來算力、重塑未來世界的重要前沿科學(xué)技術(shù)。隨著國內(nèi)外對量子計算機研發(fā)的持續(xù)投入，我們將跨越NISQ時代，進入FTQC時代，并進一步迎來兼具計算優(yōu)越性和實際經(jīng)濟價值的量子算法與應(yīng)用的大量涌現(xiàn)。我們對未來充滿期待。

而對于當(dāng)下，我們?nèi)孕枥硇缘臉酚^，客觀理解量子計算機，并充分理解它從技術(shù)研發(fā)到實際應(yīng)用的歷程。更重要的，量子計算領(lǐng)域的發(fā)展，需要國內(nèi)外量子計算領(lǐng)域的企業(yè)、高校、研究機構(gòu)等各方更加積極合作，腳踏實地地把研發(fā)工作做好，一步步解決其中的各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)。

編輯：黃飛

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