量子計算研究進展：中美兩國有4~5年的技術差距

整理 | 蔣寶尚

2019年是量子計算佔據新聞熱點版面的一年，從1月份IBM公佈全球首款商用量子計算原型機到9月份谷歌宣告在全球首次實現“量子霸權”。

這一年在量子計算的歷史上將具有里程碑的意義，因為它意味著量子計算的時代將會到來。

量子計算離我們到底還有多遠？實現大規模的商用還需要多長時間？當前的技術狀態處在什麼時代？

今日，在北京交通大學陶耀東、北京交通大學計算機與資訊科技學院王偉主持下，

CCF YOCSEF（中國計算機學會青年計算機科技論壇）舉辦了“量子計算機離我們還有多遠？”線上論壇。

針對此主題，來自

合肥本源量子計算科技有限責任公司

的

張輝

做了

“量子計算機的發展概況與應用前景”

的報告。來自

騰訊量子實驗室鄭亞銳

做了

“實現量子計算，我們還需要做些什麼？”

的報告，以及

清華大學終身副教授Kihwan Kim（金奇奐）

做了

“Quantum computation with trapped ions”

的報告。

另外，天津理工大學教授羅訓，人民郵電出版社高階策劃編輯賀瑞君作為控場主席，中山大學資料科學與計算機學院李綠周，國防科技大學強曉剛作為特邀嘉賓也參加了會議。

張輝：中國科學技術大學博士。2003年畢業於中國科學技術大學，獲得理學學士學位；2008年6月，獲得中科院量子資訊重點實驗室博士學位，師承中國量子資訊奠基人郭光燦院士，在校期間主要研究方向是低溫半導體電子輸運實驗研究和雙量子點中的量子資訊理論研究。現任合肥本源量子計算科技有限責任公司副總裁，負責公司運營和企劃工作。

在報告中，張輝提到，量子計算機和經典計算機並不是水火不相容的關係，中國與美國在量子計算方面至少有4~5年的差距，但是並不是“卡脖子”狀態。。。。

量子計算機基本概況

量子力學已經有100多年的歷史了，目前量子資訊的技術也已經非常多了，包括原子能、鐳射、超導、電晶體、半導體等等，很多的技術的應用都已經到了量子力學效應狀態。

歷史上量子革命有兩次，第一次主要是宏觀的量子行為，第二次主要是微觀量子技術體系，我們目前的努力也是集中在微觀體系。

兩次革命都是在說明量子不是非常神秘的東西，它是一門非常嚴謹的科學。量子計算是基於量子力學和計算機的交叉學科，是一個全新的學科。

從19世紀80年代開始，歐美已經有科學家提出量子計算機的概念，經過幾十年的發展已經有了一些演算法，包括破解密碼的演算法，搜尋的演算法等等。這些理論構建起了整個量子計算的完備體系。

到了21世紀，研究重點是把理論研究帶出實驗室，最近也可以看到非常多的現象級新聞，這些都是標誌。

不可否認，量子計算還處在早期發展的階段，類比經典計算機，

今天的量子計算機還處在經典計算機的電子管時代，就連最底層的物理載體還沒有完全形成。

目前定義量子計算的5項指標，包括量子位元的初始化能力、擴充套件能力、可控能力、穩定能力和被測量能力，但目前為止人類還沒能找到五項指標都具有優勢的物理體系。

量子計算也有非常多的體系，每一個體系都有它本身的優缺點，比如離子阱，優勢是量子位元品質高，相干時間較長，量子比特製備和讀出效率較高，缺點是儲存少，消相干，可擴充套件性差，小型化難等等。

注：相干時間指在量子效應保證的時間裡，對其進行操作的時間，這個時間越長越好。

在光學體系裡面，其優勢包括相干時間長，操縱手段簡單，擴充套件性好。缺點是兩個量子位元之間的邏輯閘操作難。

還有拓撲，它的優勢包括，對環境干擾噪音、雜質有很大的抵抗能力，但它目前還停留在理論層面，無器件化實現。

在學術界和工業界，雖然多種方案研究都取得一定進展，但仍然沒有實現技術路線收斂。目前進展最快、最好的技術是超導電路。

這有兩個原因，第一個是人類很希望藉助現在非常先進的技術促進發展，包括半導體整合、電路工藝和技術。

第二個原因是它的優勢是可擴充套件性非常強，固態器件、電學方向能夠使未來的量子計算與經典的計算機相相容、融合。谷歌、IBM、英特爾這些公司都把精力放在了超導或者半導體方向，國內的初創團隊本源量子也是如此。

對比一下，經典計算機是編譯在一個宏觀的體系上，主要用高電壓和低電壓來表示0和1。量子計算機未來是編譯在原子或者是電子這種微觀的體系上，比如用電子來編譯0和1，用上下電子自旋狀態來表示0和1。

計算機的發展中電晶體越做越小，已經把工藝推進到7nm、5nm，甚至有人說要做到3nm。直接面臨的最困難問題是電晶體的尺寸越做越小，中間的阻隔變得越來越薄，已經做到5nm的時候，原子數只有幾十個了，而達到3nm的話，僅有十幾個。當到達如此微小尺度時，在微觀體系下，電子會發生量子的隧穿效應，電子會來回亂跑，不能精確定義高低電壓，不能精準表示0和1，這也就是通常說的摩爾定律碰到天花板的原因。

很長一段時間裡面，為了提升計算機的算力（電晶體尺寸越來越小），人類不斷探索如何去加強這個阻隔防止電子遂穿，一種直接的方式是換材料，比如原來用“土”，現在換用“塑膠”。但是到了微觀體系，達到原子尺度級別，無論用什麼材料，都無法阻止電子隧穿效應的發生。現在又有一批科學家站了出來，提出為什麼我們要極力避免量子效應，而不就用量子效應來設計新的計算形式。

國內外量子計算機最新進展

量子計算機有兩個最大的優勢，第一個是可以為海量資料的平行計算（效能）帶來指數級別的提升，這種強大的功能可以運用在包括大資料搜尋和處理、金融分析、人工智慧、密碼解析等領域。第二個優勢是量子計算的位元是編譯在微觀體系的電子、原子上，能天然的模擬分子原子的演進，這可以用來新材料的發現、生物醫藥的藥物研製等方向。

量子計算快速發展其實也就是最近兩三年的時間，歐洲、亞洲、北美、澳洲的一些發達國家，幾乎都會涉及到量子計算的方向，很多國家已經把量子計算的研究上升到了國家層面，比如美國已經把量子計算提升到阿波羅登月計劃的高度，認為是它必須佔領的下一個技術高地。

從企業的角度來看，比較大的IT公司，例如谷歌、IBM、微軟、英特爾、以及國內的騰訊、阿里巴巴、百度、華為，幾乎都涉及到量子計算，並且全球已經有上百家的量子計算創業公司，發展非常快速，也已經有非常好的成果展現。

量子計算機的組成架構可以和經典的電子計算機類比，量子晶片對應中央處理器，量子測控體系對應經典計算機的主機板體系。

和經典計算機一樣，量子計算機也會有各種各樣的軟體，包括量子作業系統，包括底層的量子操作指令、組合語言，以及未來開發的量子應用軟體和演算法。

2019年是量子計算發展的高光時刻。年初，IBM推出了20個位元的量子計算原型機，並且已經開始售賣。2019年年底，谷歌實現了“量子霸權”，僅僅只用了53位的量子晶片就解決了一個經典超級計算機需要10000萬才能解開的數學問題。谷歌的量子霸權不亞於當年人工智慧界的“阿爾法狗”，AI下圍棋打敗了所有人類，人類認識到機器學習的強大，把人工智慧推向的高速發展的道路。專家們認為谷歌的量子霸權，完全有可能點燃量子計算熱潮。

專利方面也有很多進展，加拿大的D-Wave獲批了300多項，IBM也有235項，微軟有212項，本源量子作為中國唯一上榜企業有36項（時間截止至2019年10月）。

從量子計算角度看，中國和美國至少還有4~5年的差距。但現狀比經典計算機好了很多，至少不會被人“卡脖子”。

（量子計算機）商用預測大概會分三個階段，當前第一階段已經走完。在量子計算的原型機的開發這一水平上，谷歌提出的量子霸權是標誌性事件。

第二階段是接下來的十年，重點是尋找專用級的晶片，用它來解決特定行業的問題。

第三階段，是再往後十幾年的時間，目的是真正把通用量子計算機實現出來。波士頓諮詢曾經預測，到2030年，保守估計市場需求有20多億美金，樂觀估計可以達到600億美金，到2050年的時候可以達到2600~3000億美金。

量子計算產業化應用

借鑑經典計算機發展經驗，量子計算機的歷史趨勢會加速實現，在過去的一段時間裡，已經有非常多的人投身產業和商業的應用，包括一些量子計算的產業聯盟，例如IBM Q Network、本源量子計算產業聯盟OQIA。

產業聯盟的意義是（量子計算機）需要和行業發生碰撞，從而找到具體行業存在的問題或者困難，然後用量子計算機來幫助解決。

有了產業聯盟，量子計算在近一兩年的時間裡發展非常快，有了許多實際探索的案例。例如量子計算和人工智慧，它能夠大幅地提升機器學習的效率，能夠設計很多的演算法解決實際問題。

在智慧交通方向，理論上已經可以做路線最最佳化的演算法研究。具體案例包括谷歌、D-wave和德國的大眾。2019年，他們實現了用量子計算的演算法和交通資料控制了九輛車最優行走的案例。

9輛車可能經典計算機也能解決，但是，這標誌著一個驗證，意味著量子計算可以用很簡單的模型就能做到控制車。隨著晶片的位元數量越來越多，它能控制的車的數量會非常容易達到指數級別增長。

量子計算加金融，也能夠用來解決金融領域的困難和問題，摩根大通和IBM共同研究了派生定價，二次加速量子演算法。很多的銀行對這些演算法也非常感興趣，都在和量子計算公司來進行實際的合作。

量子計算和生物醫藥這個方向的結合也非常吸引人。在過去的一段時間裡面，很多公司或者是機構已經與醫藥公司合作，已經產生了很多的演算法，包括怎麼模擬分子、原子。

但是目前受限於量子晶片的發展規模，只能模擬氫分子等最簡單的分子結構

，但隨著晶片位元數的發展，未來一定會模擬到更大體積的分子。​

還有複雜藥物的合成，量子計算的自然性非常適合用來模擬，可以縮短研發時間，能夠帶來很大的價值。

在航空航天領域，飛機氣流的一些變化，用當前的經典計算機模擬非常困難。量子計算機則有非常多的優勢。世界上的一些飛機制造商，或者是一些軍工企業，都開始用量子計算的方式來進行飛機機翼設計、空氣動力學等方面的模擬和研究。

整個量子計算的產業鏈，包括上游、中游、下游，都會帶動非常多的產業和企業發展，上游需要很多矽晶圓、靶材、耗材、特殊光刻膠。中游集聚了大量應用場景，包括人工智慧、智慧交通。下游當然是C端，大規模商用到企業使用者。

量子計算的研發就像是一座深不見底的山洞，我們並不知道山洞裡面是價值連城的寶藏，亦或是洪水猛獸。但今天，當一群西方列強爭相湧進，中國人沒有理由猶豫不前。量子計算到底長什麼樣，它是一個什麼樣的形態，答案就在這座山洞中。我們堅信量子計算未來一定能進入人類的現實生活。