30多年前，物理學(xué)家費曼提出利用量子構(gòu)建計算系統(tǒng)。如今，科學(xué)家正在驗證這一設(shè)想。近日，中國計算機學(xué)會青年計算機科技論壇發(fā)起了一次線上分享會，探討量子計算機的技術(shù)發(fā)展路線和前景。

相較傳統(tǒng)性能高

分享會的主講者之一、合肥本源量子計算科技有限責(zé)任公司副總裁張輝認(rèn)為，量子計算并非“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，量子計算則要在微觀層面上實現(xiàn)控制，這也意味著更大的難度。

量子計算機在金融分析、藥物研究、材料制備等領(lǐng)域都具有很大優(yōu)勢。然而與超級計算機相比，量子計算機有何特別?

“如果用超級計算機實時規(guī)劃最優(yōu)路線，極限是控制幾百輛汽車。未來的智慧交通要同時計算幾十萬輛車的出行路線，在理論上量子計算機能做到。”張輝說。

經(jīng)典計算機用0和1儲存與處理數(shù)據(jù)。量子計算機的神奇之處在于，它的基本計算單元——量子比特可以同時是0和1，即允許“疊加態(tài)”共存。這讓其擁有強大的并行計算能力。舉個例子，假如在800萬本書里找一個單詞，經(jīng)典計算機一本本地搜索，而量子計算機則分身為800萬臺計算機同步搜尋。因此有人說，在量子計算機面前，現(xiàn)在的計算機就像算盤。

大數(shù)分解上也是如此。曾經(jīng)有科學(xué)家用1600臺計算機，花了8個月的時間，成功分解了一個129位大數(shù)的質(zhì)因數(shù)，如果用量子計算機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證。去年1月，IBM發(fā)布了全球首款商用量子計算原型機。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隨機量子線路采樣的數(shù)學(xué)問題。

進步得益于近年來量子計算工程化的推進。當(dāng)前，幾乎所有發(fā)達國家都把量子計算當(dāng)作未來技術(shù)制高點，國內(nèi)外知名的IT公司紛紛涉足量子計算。“全球量子計算創(chuàng)業(yè)公司超過百家，2019年是量子計算發(fā)展高光的一年。”張輝說。

落地應(yīng)用挑戰(zhàn)多

量子計算機前景遠大，但落地應(yīng)用長路漫漫。

“研發(fā)量子計算機，首先要足夠多的量子比特。”騰訊量子實驗室高級研究員鄭亞銳解釋。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，一般認(rèn)為量子比特數(shù)量要達到100萬個，量子計算機才能走向?qū)嵱谩？僧?dāng)下，工業(yè)界還沒有實現(xiàn)控制100個量子比特。

穩(wěn)定性是量子計算機落地應(yīng)用的另一個重要指標(biāo)，這就要求較長的相干時間，以及非常高的保真度。“提高比特數(shù)量的同時，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)過長期探索，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)、離子阱、超冷原子、半導(dǎo)體量子點都能夠用于開發(fā)量子計算機。這些不同的體系，造就了量子計算機不同的技術(shù)實現(xiàn)路線。“每一個體系都有優(yōu)缺點。”張輝說，半導(dǎo)體量子點路線操控方便，但相干時間很短;光學(xué)或者離子阱路線，相干時間長，但可擴展性相對差。

目前，多數(shù)開發(fā)者選擇的是超導(dǎo)和半導(dǎo)體兩條路線，兩者的工程化、工藝化也推進較快。開發(fā)者希望借助先進的半導(dǎo)體、集成電路工藝，在推進量子計算機研發(fā)之時，還為未來量子計算機與經(jīng)典計算機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，近年來，學(xué)界對離子阱路線的基礎(chǔ)研究很多，但直到最近幾年，才開始有公司大規(guī)模開展離子阱量子計算機的研發(fā)。軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院研究員強曉剛認(rèn)為，集成光量子芯片技術(shù)，是實現(xiàn)大規(guī)模可實用化光量子計算系統(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)典計算機性能不斷提升。“以此類比，量子計算還處在‘電子管的時代’。”張輝說，“也許某天人類突然發(fā)現(xiàn)一個完美材料，做出量子計算機就不再難了。”

這顯然不是一個人能夠完成的工作。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，過分強調(diào)技術(shù)保護不利于量子計算機開發(fā)。

發(fā)展前景待探索

信息技術(shù)的進步有時超乎人們想象。回到1946年，誰又能想到，人類首臺電腦，這個重達30噸、3層樓高的龐然大物，如今可以濃縮成米粒大小。

分享會上科學(xué)家預(yù)計，未來10至15年量子計算機有望落地應(yīng)用，真正實現(xiàn)“量子霸權(quán)”，為未來的通用量子計算打下基礎(chǔ)。

談及我國量子計算機的發(fā)展水平，張輝表示，與國際“領(lǐng)頭羊”有4—5年的差距。在他看來，這些差距主要不在科研，而在工程、工藝方面。量子計算機是一個整體，芯片之外，測控、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，都會影響整體計算性能。”張輝說。

量子計算機會不會把經(jīng)典計算機擠下舞臺?分享者認(rèn)為，兩者不是對抗關(guān)系，量子計算機不會全面替代經(jīng)典計算機。經(jīng)典計算機發(fā)展至今，已經(jīng)能處理絕大部分日常任務(wù)，未來兩者應(yīng)該兼容、融合。

開發(fā)量子計算機有較高門檻。本源量子公司成立兩年來，僅硬件投入達5億—6億元，而量子計算的主營業(yè)務(wù)暫時沒有收入。本源量子創(chuàng)始人之一、中國科技大學(xué)教授郭國平很有信心：“量子計算就像一個山洞，我們不知道里面有沒有寶藏，但一定要有勇氣沖進去，看看它到底長什么樣。”