30多年前，物理學(xué)家費(fèi)曼提出利用量子構(gòu)建計(jì)算系統(tǒng)。如今，科學(xué)家正在驗(yàn)證這一設(shè)想。近日，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)青年計(jì)算機(jī)科技論壇發(fā)起了一次線上分享會(huì)，探討量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展路線和前景。

相較傳統(tǒng)性能高

分享會(huì)的主講者之一、合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司副總裁張輝認(rèn)為，量子計(jì)算并非“玄學(xué)”，在激光、超導(dǎo)等領(lǐng)域，人們已經(jīng)廣泛應(yīng)用了量子的特性。不同的是，應(yīng)用此前多在宏觀層面，量子計(jì)算則要在微觀層面上實(shí)現(xiàn)控制，這也意味著更大的難度。

量子計(jì)算機(jī)在金融分析、藥物研究、材料制備等領(lǐng)域都具有很大優(yōu)勢(shì)。然而與超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)有何特別?

“如果用超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)規(guī)劃最優(yōu)路線，極限是控制幾百輛汽車。未來(lái)的智慧交通要同時(shí)計(jì)算幾十萬(wàn)輛車的出行路線，在理論上量子計(jì)算機(jī)能做到。”張輝說(shuō)。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)用0和1儲(chǔ)存與處理數(shù)據(jù)。量子計(jì)算機(jī)的神奇之處在于，它的基本計(jì)算單元——量子比特可以同時(shí)是0和1，即允許“疊加態(tài)”共存。這讓其擁有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。舉個(gè)例子，假如在800萬(wàn)本書里找一個(gè)單詞，經(jīng)典計(jì)算機(jī)一本本地搜索，而量子計(jì)算機(jī)則分身為800萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)同步搜尋。因此有人說(shuō)，在量子計(jì)算機(jī)面前，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)就像算盤。

大數(shù)分解上也是如此。曾經(jīng)有科學(xué)家用1600臺(tái)計(jì)算機(jī)，花了8個(gè)月的時(shí)間，成功分解了一個(gè)129位大數(shù)的質(zhì)因數(shù)，如果用量子計(jì)算機(jī)可能只需幾秒鐘的工夫。

這一理論上的潛力，得到了令人振奮的驗(yàn)證。去年1月，IBM發(fā)布了全球首款商用量子計(jì)算原型機(jī)。去年10月，谷歌公司宣稱用53位的專用量子芯片解決了一個(gè)隨機(jī)量子線路采樣的數(shù)學(xué)問(wèn)題。

進(jìn)步得益于近年來(lái)量子計(jì)算工程化的推進(jìn)。當(dāng)前，幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家都把量子計(jì)算當(dāng)作未來(lái)技術(shù)制高點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外知名的IT公司紛紛涉足量子計(jì)算。“全球量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)公司超過(guò)百家，2019年是量子計(jì)算發(fā)展高光的一年。”張輝說(shuō)。

落地應(yīng)用挑戰(zhàn)多

量子計(jì)算機(jī)前景遠(yuǎn)大，但落地應(yīng)用長(zhǎng)路漫漫。

“研發(fā)量子計(jì)算機(jī)，首先要足夠多的量子比特。”騰訊量子實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員鄭亞銳解釋。理論上，自然界中一切有量子效應(yīng)的載體都可用作量子比特。鄭亞銳說(shuō)，一般認(rèn)為量子比特?cái)?shù)量要達(dá)到100萬(wàn)個(gè)，量子計(jì)算機(jī)才能走向?qū)嵱??？僧?dāng)下，工業(yè)界還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)控制100個(gè)量子比特。

穩(wěn)定性是量子計(jì)算機(jī)落地應(yīng)用的另一個(gè)重要指標(biāo)，這就要求較長(zhǎng)的相干時(shí)間，以及非常高的保真度。“提高比特?cái)?shù)量的同時(shí)，又不降低保真度是學(xué)術(shù)界聚焦的難題。”鄭亞銳提到。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)、離子阱、超冷原子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)都能夠用于開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)。這些不同的體系，造就了量子計(jì)算機(jī)不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線。“每一個(gè)體系都有優(yōu)缺點(diǎn)。”張輝說(shuō)，半導(dǎo)體量子點(diǎn)路線操控方便，但相干時(shí)間很短;光學(xué)或者離子阱路線，相干時(shí)間長(zhǎng)，但可擴(kuò)展性相對(duì)差。

目前，多數(shù)開(kāi)發(fā)者選擇的是超導(dǎo)和半導(dǎo)體兩條路線，兩者的工程化、工藝化也推進(jìn)較快。開(kāi)發(fā)者希望借助先進(jìn)的半導(dǎo)體、集成電路工藝，在推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)研發(fā)之時(shí)，還為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的潛在融合埋下伏筆。

清華大學(xué)量子信息中心終身副教授金奇奐介紹說(shuō)，近年來(lái)，學(xué)界對(duì)離子阱路線的基礎(chǔ)研究很多，但直到最近幾年，才開(kāi)始有公司大規(guī)模開(kāi)展離子阱量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院研究員強(qiáng)曉剛認(rèn)為，集成光量子芯片技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？蓪?shí)用化光量子計(jì)算系統(tǒng)的重要途徑。

從電子管到晶體管，再到集成電路，隨著材料和工藝的迭代，經(jīng)典計(jì)算機(jī)性能不斷提升。“以此類比，量子計(jì)算還處在‘電子管的時(shí)代’。”張輝說(shuō)，“也許某天人類突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)完美材料，做出量子計(jì)算機(jī)就不再難了。”

這顯然不是一個(gè)人能夠完成的工作。鄭亞銳呼吁，目前起步階段，企業(yè)和科研院所應(yīng)該破除技術(shù)壁壘，過(guò)分強(qiáng)調(diào)技術(shù)保護(hù)不利于量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)。

發(fā)展前景待探索

信息技術(shù)的進(jìn)步有時(shí)超乎人們想象?；氐?946年，誰(shuí)又能想到，人類首臺(tái)電腦，這個(gè)重達(dá)30噸、3層樓高的龐然大物，如今可以濃縮成米粒大小。

分享會(huì)上科學(xué)家預(yù)計(jì)，未來(lái)10至15年量子計(jì)算機(jī)有望落地應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，為未來(lái)的通用量子計(jì)算打下基礎(chǔ)。

談及我國(guó)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展水平，張輝表示，與國(guó)際“領(lǐng)頭羊”有4—5年的差距。在他看來(lái)，這些差距主要不在科研，而在工程、工藝方面。量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)整體，芯片之外，測(cè)控、軟件、算法同樣需要高度重視。“哪怕幾根導(dǎo)線之間微弱的干擾，都會(huì)影響整體計(jì)算性能。”張輝說(shuō)。

量子計(jì)算機(jī)會(huì)不會(huì)把經(jīng)典計(jì)算機(jī)擠下舞臺(tái)?分享者認(rèn)為，兩者不是對(duì)抗關(guān)系，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)全面替代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展至今，已經(jīng)能處理絕大部分日常任務(wù)，未來(lái)兩者應(yīng)該兼容、融合。

開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)有較高門檻。本源量子公司成立兩年來(lái)，僅硬件投入達(dá)5億—6億元，而量子計(jì)算的主營(yíng)業(yè)務(wù)暫時(shí)沒(méi)有收入。本源量子創(chuàng)始人之一、中國(guó)科技大學(xué)教授郭國(guó)平很有信心：“量子計(jì)算就像一個(gè)山洞，我們不知道里面有沒(méi)有寶藏，但一定要有勇氣沖進(jìn)去，看看它到底長(zhǎng)什么樣。”(喻思南)

《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2020年04月08日 12 版)

關(guān)鍵詞： 量子計(jì)算