量子計算研究進展：中美兩國有4~5年的技術差距

算法與數學之美 4/2

2019年是量子計算占據新聞熱點版面的一年，從1月份IBM公佈全球首款商用量子計算原型機到9月份𠔌歌宣告在全球首次實現“量子霸權”。這一年在量子計算的歷史上將具有里程碑的意義，因為它意味着量子計算的時代將會到來。

量子計算離我們到底還有多遠？實現大規模的商用還需要多長時間？當前的技術狀態處在什麽時代？今日，在CCF  YOCSEF總部AC委員、總部侯任學術秘書、北京交通大學陶耀東，CCF YOCSEF 總部AC委員、北京交通大學計算機與信息技術學院王偉主持下，CCF YOCSEF（中國計算機學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？”綫上論壇，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“量子計算機的發展概況與應用前景”的報告。來自騰訊量子實驗室鄭亞銳博士做了“實現量子計算，我們還需要做些什麽？”的報告，清華大學終身副教授Kihwan Kim（金奇奐）做了“Quantum Computation with Trapped Ions”的報告。另外，中山大學數據科學與計算機學院李緑周教授，國防科技大學強曉剛博士作為特邀嘉賓也進行了發言。天津理工大學教授羅訓、人民郵電出版社高級策劃編輯賀瑞君擔任綫上主席。由於文章篇幅限製，AI科技評論對報告“量子計算機的發展概況與應用前景”進行整理，另外兩個報告的整理，請持續關註AI科技評論~

 

張輝：中國科學技術大學博士。2003年畢業於中國科學技術大學，獲得理學學士學位；2008年6月，獲得中科院量子信息重點實驗室博士學位，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，量子計算機和經典計算機並不是水火不相容的關係，中國與美國在量子計算方面至少有4~5年的差距，但是並不是“卡脖子”狀態....量子計算機基本概況

量子力學已經有100多年的歷史了，目前量子信息的技術也已經非常多了，包括原子能、激光、超導、晶體管、半導體等等，很多的技術的應用都已經到了量子力學效應狀態。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體係，我們目前的努力也是集中在微觀體係。兩次革命都是在說明量子不是非常神秘的東西，它是一門非常嚴謹的科學。量子計算是基於量子力學和計算機的交叉學科，是一個全新的學科。

 

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

 

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象級新聞，這些都是標志。不可否認，量子計算還處在早期發展的階段，類比經典計算機，今天的量子計算機還處在經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、相幹時間、操作、時間、輸入/輸出，未來的可擴展性等參數指標，都不是非常完美的物理體係。

 

量子計算也有非常多的體係，每一個體係都有它本身的優缺點，比如離子阱，優勢是量子比特品質高，相幹時間較長，量子比特製備和讀出效率較高，缺點是儲存少，消相幹，可擴展性差，小型化難等等。註：相幹時間指在量子效應保證的時間裏，對其進行操作的時間，這個時間當越長越好。在光學體係裏面，其優勢包括相幹時間長，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，它的優勢包括，對環境幹擾噪音、雜質有很大的抵抗能力，但它目前還停留在理論層面，無器件化實現。

 

在學術界和工業界，雖然多種方案研究都取得一定進展，但仍然沒有實現技術路綫收斂。目前進展最快、最好的技術是超導電路。這有兩個原因，第一個是人類很希望藉助現在非常先進的技術促進發展，包括半導體集成、電路工藝和技術。第二個原因是它的優勢是可擴展性非常強，固態器件、電學方向能夠使未來的量子計算與經典的計算機相兼容、融合。𠔌歌、IBM、英特爾這些公司都把精力放在了超導或者半導體方向。

對比一下，經典計算機是編譯在一個宏觀的體係上，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係上。比如用電子來編譯0和1，用上下電子自旋狀態來表示0和1。計算機的發展中晶體管越做越小，已經把工藝推進到7nm、5nm，甚至有人說要做到3納米。直接面臨的最睏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，已經做到5納米的時候，原子數衹有幾十個了。（3nm的話，會有十幾個。）在微觀體係下，電子會發生量子的隧穿效應，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。解决方法是換材料，比如原來用土，現在換用塑料。換用塑料會讓阻隔越來越結實，但是到了微觀體係，原子級別，無論用什麽材料，都無法阻止電子隧穿效應，現在的科學家要麽極力避免量子效應，要麽幹脆利用量子力學。國內外量子計算機最新進展量子計算機有兩個最大的優勢，第一個是可以為海量數據的並行計算（性能）帶來指數級別的提升，這種強大的功能，可以運用在包括金融、數據的搜索處理等領域。第二個優勢是量子計算編譯在電子原子上，在模擬方面會表現的非常自然，例如新材料的發現，生物醫藥的藥物合成。

 

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

 

從企業的角度來看，比較大的IT公司，例如𠔌歌、IBM、微軟、英特爾、以及國內的騰訊、阿裏巴巴、百度、華為，幾乎都會涉及到量子計算，並且全球已經有上百傢的量子計算創業公司，發展非常快速，也已經有非常好的成果展現。量子計算機可以和經典的電子計算機類比，量子芯片對應中央處理器，量子測控體係對應計算機的主板。還會有很多的量子軟件，包括操作係統，包括底層的匯編語言、操作指令，包括未來基於這些匯編語言開發的量子應用軟件算法。

2019年是量子計算發展的高光時刻，𠔌歌的量子霸權可以類比當年人工智能的阿爾法狗下圍棋。正是由於AI下圍棋打敗了人類，纔把人工智能推到了一定的發展高度。專傢們認為𠔌歌的量子霸權，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，並且已經開始售賣。2019年年底，𠔌歌的量子霸權，僅僅衹用了53位的專用量子芯片就解决了一個數學問題。

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。但現狀比經典計算機好了很多，至少不會被人“卡脖子”。

（量子計算機）商用預測大概會分三個階段，當前第一階段已經走完。在量子計算的原型機的開發這一水平上，𠔌歌提出的量子霸權是標志性事件。第二階段是接下來的十年，重點是尋找專用級的芯片，用它來解决特定行業的問題。第三階段，是再往後十幾年的時間，目的是真正把通用量子計算機實現出來。波士頓咨詢曾經預測，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。量子計算産業化應用

 

藉鑒經典計算機發展經驗，量子計算機的歷史趨勢會加速實現，在過去的一段時間裏，已經有非常多的人投身産業和商業的應用，包括一些量子計算的産業聯盟，例如IBM Q Network、本源量子計算産業聯盟OQIA。産業聯盟的意義是（量子計算機）需要和行業發生碰撞，從而找到具體行業存在的問題，或者睏難，然後用量子計算機來幫助解决。有了産業聯盟，量子計算在近一兩年的時間裏發展非常快，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習的效率，能夠設計很多的算法解决實際問題。

 

在智慧交通方向，理論上已經可以做路綫最優化的算法研究。具體案例包括𠔌歌和德國的大衆。2019年，這些公司已經在用量子計算根據算法和交通數據控製了九輛車。9輛車可能經典計算機也能解决，但是，這標志着一個驗證，意味着量子計算可以用很簡單的模型就能做到控製車。隨着芯片的比特數量越來越多，它能控製的車的數量會非常容易達到指數級別增長。

 

量子計算加金融，也能夠用來解决金融領域的睏難和問題，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。

 

量子計算和生物醫藥這個方向的結合也非常吸引人。在過去的一段時間裏面，很多公司或者是機構已經與醫院合作，已經産生了很多的算法，包括怎麽模擬分子、原子。但是目前受限於芯片的發展，衹能模擬氫分子的狀況，但隨着芯片比特數的發展，未來一定會模擬到更多的分子原子。還有復雜藥物的合成，量子計算的自然性非常適合用來模擬，可以縮短研發時間，能夠帶來很大的價值。

 

在航空航天領域，飛機氣流的一些變化，用當前的經典計算機模擬非常睏難。量子計算機則有非常多的優勢。世界上的一些飛機製造商，或者是一些軍工企業，都開始用量子計算的方式來進行飛機機翼設計、空氣動力學等方面的模擬和研究。

 

整個量子計算的産業鏈，包括上遊、中遊、下遊，都會帶動非常多的産業和企業發展，上遊需要很多硅晶圓、靶材、耗材、特殊光刻膠。中遊集聚了大量應用場景，包括人工智能、智慧交通。下遊當然是C端，大規商用到企業用戶。量子計算就像是山洞一樣，我們並不知道山洞裏面是寶藏，還是其他。西方的一些發達國傢都在涌進去，中國沒有理由不進去。量子計算到底長什麽樣，它是一個什麽樣的形態，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實生活。

編輯 ∑Gemini

來源：cnBeta