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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等美國技術(shù)巨頭，中國的量子計(jì)算研究水平在國際上地位如何？

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

帶著這些問題，我們與中國最權(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”，即完成在傳統(tǒng)電腦上幾乎不可能執(zhí)行的任務(wù)來展示量子計(jì)算機(jī)的能力。

△谷歌的Sycamore量子芯片計(jì)算機(jī)

“優(yōu)勢“一詞讓人感覺量子計(jì)算似乎已經(jīng)可以取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)了，但是IBM卻對谷歌的成績不以為然，他們認(rèn)為，谷歌的Sycamore是“擺拍”。首先Sycamore沒有實(shí)際功能，只是生成隨機(jī)數(shù)；其次谷歌用來參照對比的傳統(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)也可以毫無困難地完成。

IBM認(rèn)可的路線是將量子計(jì)算的優(yōu)勢與傳統(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)。

那么到底誰的路線才是對的呢？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表示1和0。相對的，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，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實(shí)現(xiàn)一臺量子計(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，哪種路線都沒取得突破性進(jìn)展，所以現(xiàn)在研究人員無法確定實(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)勢在于計(jì)算機(jī)未來的可擴(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磥砹孔佑?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。

簡單地說，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，在于它有類似電路一樣的結(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100萬個(gè)比特門，難點(diǎn)在于怎樣提高比特?cái)?shù)量的同時(shí)，比特門的保真度不會下降。

從根源上來說，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)的基本問題，要真拿它來做量子計(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。特別是在今年，科學(xué)家開始應(yīng)用了新的材料，比如說鉭，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。

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的這種同位素來做襯底可能會更好。

業(yè)界認(rèn)為超導(dǎo)量子比特的退相干時(shí)間在將來可以提升到一個(gè)毫秒的級別。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)展歷程來看，大多數(shù)專家都認(rèn)為，未來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

與會的張輝博士來自本源量子計(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)，無論是行業(yè)領(lǐng)先的谷歌、IBM、D-wave，還是國內(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，各國早已經(jīng)開始了量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)布局，相關(guān)的支持政策也陸續(xù)出臺，其光明的前景也吸引了大量社會投資。

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)中控制九輛公交車從會場到賓館最優(yōu)化路線。當(dāng)然很多人會說九輛車經(jīng)典計(jì)算機(jī)也能解決，但要重點(diǎn)是量子計(jì)算僅用很簡單的模型就能做到控制九輛車，可以肯定芯片比特?cái)?shù)越多，能控制的車的數(shù)量會有指數(shù)級提升，這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法做到的。

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，用來模擬復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)，未來復(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。

張輝博士說現(xiàn)在我國的量子計(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年本源量子會聯(lián)合中科院發(fā)布中國首臺量子計(jì)算機(jī)，大約在20-30量子比特，雖然這與美國仍然有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10-15年我們至少能跟美國同步實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的商用落地。

借用中國量子信息學(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。但美國等發(fā)達(dá)國家都競相涌進(jìn)這個(gè)山洞，中國人沒有理由不進(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。

研討會演講課件：

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