“洞察力必須先于應(yīng)用。”——馬克斯·普朗克，量子物理學(xué)之父

量子計(jì)算的前景十分廣闊,它有助于更快地開發(fā)藥物，為金融領(lǐng)域建立更好的投資組合，并開啟密碼學(xué)的新時(shí)代。但這是否意味著量子計(jì)算將成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而傳統(tǒng)計(jì)算將被淘汰?

答案是否定的。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)具有量子計(jì)算機(jī)難以企及的獨(dú)特特質(zhì)，例如，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所獨(dú)有的，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的內(nèi)存最多只能持續(xù)幾百微秒。

此外，量子計(jì)算機(jī)需要保持在接近絕對(duì)零度的溫度，也就是零下270攝氏度(零下450華氏度)。普通用戶家中沒有這么強(qiáng)大的制冷功能，所以，量子計(jì)算機(jī)不太可能成為大多數(shù)家庭或企業(yè)的固定設(shè)備。

毫無(wú)疑問，量子計(jì)算將在未來(lái)十年內(nèi)改變?cè)S多行業(yè)，那么問題來(lái)了：哪些場(chǎng)景更適合量子計(jì)算機(jī)，哪些更適合傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)?

量子計(jì)算機(jī)不會(huì)取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算20世紀(jì)80年代初就存在了，但直到2019年，谷歌才首次證明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，即量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快得多。40年過(guò)去了，目前全世界的量子設(shè)備加起來(lái)不超過(guò)40個(gè)。麥肯錫的報(bào)告顯示，到2030年，量子機(jī)器可能還不會(huì)超過(guò)5000臺(tái)。

量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算有著本質(zhì)上的不同，它需要時(shí)間來(lái)開發(fā)、部署。

量子計(jì)算機(jī)無(wú)法像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣給出直接的答案。傳統(tǒng)計(jì)算非常簡(jiǎn)單：用戶提供輸入，算法對(duì)其進(jìn)行處理，最后得到一個(gè)輸出。而量子計(jì)算采用一系列不同的輸入，然后返回一系列的可能性，用戶得到的不是一個(gè)直接的答案，是對(duì)不同答案可能性的估計(jì)。

在處理有許多不同輸入變量和復(fù)雜算法的問題時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通常會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，而量子計(jì)算機(jī)可以縮小可能的輸入變量和問題解決方案的范圍，然后用這個(gè)范圍在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上測(cè)試，最后得到答案。

因此，在未來(lái)幾十年中，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)仍將發(fā)揮作用。

量子計(jì)算技術(shù)的局限性

經(jīng)過(guò)四十年的研究，量子技術(shù)仍處于起步階段，目前仍然存在一些相當(dāng)棘手的問題。

量子計(jì)算機(jī)上的信息被存儲(chǔ)在量子位(qubit)中，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用0和1，量子計(jì)算機(jī)也是使用0跟1，但與之不同的是，其可以存儲(chǔ)和調(diào)用任何0與1的疊加態(tài)。因此，量子計(jì)算機(jī)可以獲得更高的信息密度，并以高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)指數(shù)級(jí)的速度處理非常復(fù)雜的操作，同時(shí)消耗更少的能量。

隨之而來(lái)的問題是，要構(gòu)建具有許多量子位的量子計(jì)算機(jī)是非常困難的，我國(guó)擁有的76個(gè)光子的量子計(jì)算機(jī)“九章”是當(dāng)前全球最快的量子計(jì)算機(jī)。該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度地比2019年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快100億倍。

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另外，較大的量子機(jī)器往往具有較低的連通性，量子位之間不能很好地相互通信，這種連接性的缺乏會(huì)降低系統(tǒng)的整體計(jì)算能力。

最后，量子機(jī)器很容易出錯(cuò)。這些計(jì)算錯(cuò)誤是量子系統(tǒng)固有的，本身無(wú)法避免。這就是為什么要投入大量的資本和人力到量子錯(cuò)誤檢測(cè)中，以開發(fā)出能夠自查錯(cuò)誤并加以糾正的機(jī)器。盡管目前這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但是量子誤差不可能完全消失，即使使用高度精確的量子計(jì)算機(jī)，仍然有必要用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)驗(yàn)證最終結(jié)果。

布局量子未來(lái)

量子計(jì)算市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2019年的5.071億美元增長(zhǎng)到2030年的649.8億美元，在預(yù)測(cè)期間(2020-2030年)以56.0%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。根據(jù) CIR的估計(jì)，到2027年，量子計(jì)算的收入將達(dá)到80億美元。

如今，各國(guó)以及一些科技巨頭正致力于量子計(jì)算，在研發(fā)上投入了大量資金，開展跨行業(yè)的各種項(xiàng)目。

國(guó)家

我國(guó)一直處于量子計(jì)算的最前沿，2016年就發(fā)射了第一顆量子衛(wèi)星。2020年12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。

美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、印度和歐盟也加大了對(duì)量子計(jì)算的投入。特朗普根據(jù)2018年底簽署成為法律的《國(guó)家量子倡議法案》，于2019年成立了國(guó)家量子計(jì)劃咨詢委員會(huì)，該法案授權(quán)在未來(lái)5年斥資12億美元用于量子科學(xué)。

印度政府在其2020年預(yù)算中宣布了一項(xiàng)國(guó)家量子技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家計(jì)劃，其五年期間的總預(yù)算支出為800億印度盧比(約11.2億美元)，而歐洲有一項(xiàng)10億歐元的計(jì)劃，為未來(lái)十年的整個(gè)量子價(jià)值鏈提供資金。

公司

• 加拿大量子計(jì)算公司D-Wave于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)“D-Wave One”，2019年2月，D-Wave宣布了其下一代量子計(jì)算平臺(tái)的預(yù)覽，整合了硬件、軟件和工具，以加速和簡(jiǎn)化量子計(jì)算應(yīng)用程序的交付。
• IBM一直是量子計(jì)算領(lǐng)域的先驅(qū)之一，在2019年1月，IBM推出了IBM Q System One，這是世界上第一個(gè)專為科學(xué)和商業(yè)用途設(shè)計(jì)的集成式通用近似量子計(jì)算系統(tǒng)。2020年9月，IBM在紐約開設(shè)了量子計(jì)算中心，將其量子計(jì)算系統(tǒng)擴(kuò)展到商業(yè)和研究活動(dòng)。IBM最近還投資了劍橋量子計(jì)算公司，后者是2018年首批加入IBM Q網(wǎng)絡(luò)的初創(chuàng)公司之一。
• 2019年10月，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，其量子計(jì)算機(jī)在3分20秒內(nèi)解決了當(dāng)時(shí)世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)“Summit”需要1萬(wàn)年才能計(jì)算出來(lái)的問題。“量子霸權(quán)”一詞由John Preskill于2012年提出，它的英文名是“quantum supremacy”，意為“優(yōu)越性”。
• 亞馬遜于2019年末推出了Amazon Braket服務(wù)，旨在讓其用戶獲得有關(guān)量子位和量子電路的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。它允許在模擬環(huán)境中構(gòu)建和測(cè)試電路，然后在實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行它們。
• 英特爾也于2019年推出了首款同類產(chǎn)品的低溫控制芯片，代號(hào)為“Horse Ridge”，它將加速全棧量子計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)。
• 華為早在2012年就開始研究量子計(jì)算機(jī)，2018年量子計(jì)算模擬器HiQ云服務(wù)平臺(tái)問世，平臺(tái)包括HiQ量子計(jì)算模擬器與基于模擬器開發(fā)的HiQ量子編程框架兩個(gè)部分，可模擬全振幅42量子比特以上。
• 2020年9月，百度研究院量子計(jì)算研究所所長(zhǎng)發(fā)布了百度量子平臺(tái)，展示了百度用量脈+量槳+量易伏賦能新基建、追逐“人人皆可量子”的愿景。百度量子平臺(tái)提供了連接頂層解決方案和底層硬件基礎(chǔ)所需的大量軟件工具以及接口。
• 同年12月，阿里巴巴發(fā)布阿里云量子開發(fā)平臺(tái)，開源自研量子計(jì)算模擬器“太章2.0”及一系列量子應(yīng)用案例。這將有力地支持從業(yè)人員設(shè)計(jì)量子硬件，測(cè)試量子算法，并探索其在材料、分子發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化問題和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。
• 此外，微軟、騰訊、諾基亞、惠普、AT&T、SK Telecom等公司也都在研究和致力于量子計(jì)算的應(yīng)用。

雖然量子計(jì)算尚未成為主流，也不會(huì)主宰世界，但是通過(guò)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的全面協(xié)作，它將在未來(lái)十年或二十年內(nèi)產(chǎn)生重大影響。