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量子計(jì)算是否有望在10-15年之內(nèi)取得重大進(jìn)展，走出實(shí)驗(yàn)室，真正應(yīng)用在解決實(shí)際問(wèn)題中？

現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的主要玩家仍然是谷歌、IBM、MIT等美國(guó)技術(shù)巨頭，中國(guó)的量子計(jì)算研究水平在國(guó)際上地位如何？

3月28日，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)青年計(jì)算機(jī)科技論壇（YOCSEF）舉辦了一場(chǎng)“量子計(jì)算機(jī)離我們還有多遠(yuǎn)”線上研討會(huì)。

帶著這些問(wèn)題，我們與中國(guó)最權(quán)威的量子計(jì)算領(lǐng)域科學(xué)家、企業(yè)負(fù)責(zé)人交流了這一時(shí)下熱門(mén)話題。

真正靠譜的量子計(jì)算機(jī)是什么樣的？

2019年10月底，谷歌宣布其名為Sycamore的芯片已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”，即完成在傳統(tǒng)電腦上幾乎不可能執(zhí)行的任務(wù)來(lái)展示量子計(jì)算機(jī)的能力。

△谷歌的Sycamore量子芯片計(jì)算機(jī)

“優(yōu)勢(shì)“一詞讓人感覺(jué)量子計(jì)算似乎已經(jīng)可以取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)了，但是IBM卻對(duì)谷歌的成績(jī)不以為然，他們認(rèn)為，谷歌的Sycamore是“擺拍”。首先Sycamore沒(méi)有實(shí)際功能，只是生成隨機(jī)數(shù)；其次谷歌用來(lái)參照對(duì)比的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算法也不是最優(yōu)的，實(shí)際上，這個(gè)任務(wù)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)也可以毫無(wú)困難地完成。

IBM認(rèn)可的路線是將量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)合，盡快實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的商業(yè)化。而IBM已經(jīng)上線了初期版本的量子云服務(wù)，面向企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)。

那么到底誰(shuí)的路線才是對(duì)的呢？作為吃瓜群眾的我們又能期待量子計(jì)算帶給我們什么呢？

量子計(jì)算機(jī)的5種技術(shù)路線

首先，我們要清楚量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)的物理規(guī)律的新能力計(jì)算機(jī)體系物理裝置。量子計(jì)算機(jī)編譯在是原子或者是電子這樣的微觀體系上，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用高低電位表示1、0不同，量子計(jì)算機(jī)選擇電子自旋的上和下來(lái)表示1和0。相對(duì)的，量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)計(jì)算單元不再是晶體管，而是一個(gè)量子比特。

也就是說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)的能力是由其可操作的量子比特?cái)?shù)量和穩(wěn)定性（相干時(shí)間、保真度）決定。

而要實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子計(jì)算機(jī)需要三個(gè)要素：一種可用的量子比特、高保真的量子操作、量子體系（足夠多的量子比特）。

自然界中一切有量子效應(yīng)的載體都可用作量子比特，而現(xiàn)在主要有五種不同的物理體系來(lái)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)：

這些技術(shù)路線各有優(yōu)劣，每一種方案都有不同的研究機(jī)構(gòu)在推進(jìn)，遺憾的是，哪種路線都沒(méi)取得突破性進(jìn)展，所以現(xiàn)在研究人員無(wú)法確定實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的最佳物理方案。

目前百分之八九十的開(kāi)發(fā)者都是遵循固體器件這樣一條路線，主要包括超導(dǎo)和半導(dǎo)體兩兩方面。

有兩個(gè)原因，第一個(gè)是人類(lèi)希望借用現(xiàn)在非常先進(jìn)的半導(dǎo)體、集成電路工藝實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)，這樣做的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算機(jī)未來(lái)的可擴(kuò)展性，集成性非常強(qiáng)大。第二是大家希望在固態(tài)器件的方向、電學(xué)的方向去實(shí)現(xiàn)它，因?yàn)槿藗內(nèi)匀黄诖磥?lái)量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)能兼容融合。

那么，量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)在哪里呢？

保真度取決于工藝和材料

保真度是衡量量子計(jì)算中相位相干性的損失的基本度量，其取值在0-1之間。定義為：

其中H、H'都簡(jiǎn)單假定為不顯含時(shí)間，他們之間相差一個(gè)微擾項(xiàng)H‘=H+εV。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，保真度是指一個(gè)量子計(jì)算單位進(jìn)行操作后與預(yù)期信息的相似度。我們當(dāng)然希望量子計(jì)算的保真度越高越好。

而實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子計(jì)算機(jī)需要三個(gè)要素：一種可用的量子比特、高保真的量子操作、量子體系（足夠多的量子比特）。

以超導(dǎo)量子比特為例，它最重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，在于它有類(lèi)似電路一樣的結(jié)構(gòu)，可以采用傳統(tǒng)的集成電路的工藝，快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的的印刷和制造。

它在這幾年的發(fā)展特別快，下圖可以看到超導(dǎo)量子比特退相干時(shí)間大概有兩到三年就會(huì)翻一倍，現(xiàn)在整個(gè)量子比特的性能已經(jīng)比十年前、十五年前要好得多。

除了退相干和數(shù)量之外，我們可以看到超導(dǎo)量子比特門(mén)操作的保真度也較高，達(dá)到了99.4%。而一個(gè)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)至少要集成100萬(wàn)個(gè)比特門(mén)，難點(diǎn)在于怎樣提高比特?cái)?shù)量的同時(shí)，比特門(mén)的保真度不會(huì)下降。

從根源上來(lái)說(shuō)，我們需要從材料和工藝兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

早期的量子比特上用的都是非常傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，直接應(yīng)用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝，但是退相干性能比較差，小于一微秒。當(dāng)時(shí)大家對(duì)這個(gè)超導(dǎo)量子計(jì)算并不是寄予厚望，認(rèn)為這個(gè)東西只能研究一些量子力學(xué)的基本問(wèn)題，要真拿它來(lái)做量子計(jì)算還是有點(diǎn)懸。

2007年的時(shí)候，超導(dǎo)量子比特?fù)Q了一種電容機(jī)構(gòu)，性能大有提升。13、14年，谷歌又做了很多工藝的革新，退相干時(shí)間迅速提升到百微秒的量級(jí)。特別是在今年，科學(xué)家開(kāi)始應(yīng)用了新的材料，比如說(shuō)鉭，它可能可以把比特的退相干時(shí)間進(jìn)一步提升到幾百微秒的量級(jí)。

這是令人鼓舞的，超導(dǎo)量子計(jì)算的誕生時(shí)間雖然短，但是在這21年間，它一直保持著非常快的進(jìn)步速度。

所以，未來(lái)量子比特退相干時(shí)間還有進(jìn)一步提升的可能。實(shí)際上目前新工藝、新材料的嘗試仍未達(dá)到瓶頸。比如我們可以用超高真空的封裝來(lái)使得我們電路的表面可以更加干凈；比如我們可以探索原位襯底熔煉技術(shù)，可能可以讓我們襯底的缺陷更少；還有所謂的同位素富集，就是我們超導(dǎo)體量子芯片的襯底，比如硅，我們用硅28的這種同位素來(lái)做襯底可能會(huì)更好。

業(yè)界認(rèn)為超導(dǎo)量子比特的退相干時(shí)間在將來(lái)可以提升到一個(gè)毫秒的級(jí)別。一個(gè)毫秒是什么樣的概念呢？商業(yè)應(yīng)用的單個(gè)量子比特需要4個(gè)9的保真度，兩個(gè)量子比特需要3個(gè)9，如果退相干時(shí)間可以達(dá)到一個(gè)毫秒，那么單比特就可以達(dá)到5個(gè)9的保真度，雙比特可以達(dá)到4個(gè)9的保真度。

從以往的發(fā)展歷程來(lái)看，大多數(shù)專(zhuān)家都認(rèn)為，未來(lái)10-15年內(nèi)，有商用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)就能落地了。

現(xiàn)在的量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)：大量燒錢(qián)

與會(huì)的張輝博士來(lái)自本源量子計(jì)算科技有限公司，這是一家孵化于中科院量子信息實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新企業(yè)，致力于推動(dòng)量子計(jì)算的商業(yè)化。

張博士認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在還處在一個(gè)相當(dāng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“電子管”階段。目前所有在研究量子計(jì)算機(jī)的機(jī)構(gòu)，無(wú)論是行業(yè)領(lǐng)先的谷歌、IBM、D-wave，還是國(guó)內(nèi)的創(chuàng)業(yè)公司，在量子計(jì)算業(yè)務(wù)上的收入都是0，而其研究投入又是巨大的，一套基礎(chǔ)的硬件設(shè)備最少也要5-6億人民幣。

但這并不代表這一行業(yè)難以為繼，事實(shí)上，各國(guó)早已經(jīng)開(kāi)始了量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)布局，相關(guān)的支持政策也陸續(xù)出臺(tái)，其光明的前景也吸引了大量社會(huì)投資。

量子計(jì)算這些年已經(jīng)有了一些實(shí)際的探索案例，比如量子計(jì)算+智慧交通，理論上已經(jīng)可以做很多路線的最優(yōu)化算法的研究，谷歌和大眾在2019年已經(jīng)使用量子路由算法和交通數(shù)據(jù)管理在現(xiàn)實(shí)中控制九輛公交車(chē)從會(huì)場(chǎng)到賓館最優(yōu)化路線。當(dāng)然很多人會(huì)說(shuō)九輛車(chē)經(jīng)典計(jì)算機(jī)也能解決，但要重點(diǎn)是量子計(jì)算僅用很簡(jiǎn)單的模型就能做到控制九輛車(chē)，可以肯定芯片比特?cái)?shù)越多，能控制的車(chē)的數(shù)量會(huì)有指數(shù)級(jí)提升，這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法做到的。

量子計(jì)算+金融，能夠解決金融領(lǐng)域很多困難和問(wèn)題，摩根大通和IBM在共同研究抬升定價(jià)二次加速量子的算法，還有其他很多銀行非常感興趣的算法。

量子計(jì)算+生物醫(yī)藥也是非常吸引人的一個(gè)方向，在過(guò)去一段時(shí)間里有很多公司或者是機(jī)關(guān)已經(jīng)在和醫(yī)藥方向上的團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生一些合作，包括怎么模擬分子原子的演進(jìn)。中國(guó)的本源量子公司2018年發(fā)布了全球第一款量子化學(xué)的應(yīng)用軟件，用來(lái)模擬復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)，未來(lái)復(fù)雜藥物的合成不需要用一個(gè)個(gè)試的方法，可以用計(jì)算機(jī)模擬，縮短研發(fā)的時(shí)間。

張輝博士說(shuō)現(xiàn)在我國(guó)的量子計(jì)算仍在探索階段，以本源量子為例，其主要推進(jìn)方向是用半導(dǎo)體量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)，這一研究尚無(wú)落地成果，公司現(xiàn)在上線了2量子比特的量子計(jì)算云服務(wù)，但其計(jì)算能力有限，主要還是展示和推廣作用。

張博士透露2020年本源量子會(huì)聯(lián)合中科院發(fā)布中國(guó)首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，大約在20-30量子比特，雖然這與美國(guó)仍然有4-5年差距，但是他相信參照現(xiàn)在量子計(jì)算的發(fā)展速度，未來(lái)10-15年我們至少能跟美國(guó)同步實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的商用落地。

借用中國(guó)量子信息學(xué)科奠基人郭光燦院士的一句話：現(xiàn)在量子計(jì)算就像一個(gè)山洞，我們并不知道這個(gè)山洞里是寶藏還是野獸。但美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都競(jìng)相涌進(jìn)這個(gè)山洞，中國(guó)人沒(méi)有理由不進(jìn)去，我們也必須要有勇氣進(jìn)去，看看這個(gè)量子計(jì)算到底能不能做出來(lái)。

研討會(huì)演講課件：

https://dl.ccf.org.cn/meeting/loadMeetingDetailById?id=4861100654249984&_ack=1