量子計算離我們有多遠？| 甲子發現

作者 | 劉景豐

過去一直深藏研究院、實驗室裡的量子計算，正成爲科技公司爭奪的下一個制高點。

從2021年開始，量子科技這個前沿的領域突然獲得資本的青睞。數據顯示，2020年全球量子科技公司融資金額大概在10億美元左右，而到了2021年這一數額就超過30億美元。今年，這種熱度仍在持續。就在上個月，本源量子完成近10億元B輪融資，甚至登上了目前量子計算領域融資榜榜首。

除創業公司，科技大公司也紛紛在這一領域發力。8月25日，百度舉辦“量見未來”量子開發者大會，併發布了超導量子計算機“乾始”和全球首個全平臺量子軟硬一體解決方案“量羲”，爲客戶提供量子計算服務。此外針對C端用戶，百度還推出了一款App“量易伏”，爲程序員提供各種查詢的編程方式。

除了百度之外，阿里、騰訊等科技公司也在佈局該領域，此前阿里還曾發佈一款量子芯片。

科技公司紛紛押注，量子計算似乎正卸下神秘的面紗，但它距離大衆究竟還有多遠？

整場發佈會上，最能激發人們好奇心的就是百度發佈的超導量子計算機“乾始”。

它集合了量子硬件、量子軟件、量子應用於一體，其中硬件平臺搭載10量子比特高保真度超導量子芯片，可爲用戶提供穩定的量子計算服務。其中，最核心的量子處理器（芯片）被放在一個名爲“極低溫測試平臺”的低溫裝置，其最低溫度接近絕對零度（-273℃）。“這就好比，你越冷靜就會越清醒，算得越快。”百度量子計算研究所所長段潤堯在講解中打趣道。

硬件是核心的一環，但僅有硬件是不夠的。百度CTO王海峰稱，將量子硬件轉化爲量子服務是充滿挑戰的工作，意味着打通從底層量子硬件，到操作系統，再到上層應用軟件的全流程。

實際上，百度在量子計算領域最拿手的是軟件和應用部分。百度量子成立於2018年3月，先後發佈了國內首個雲上量子脈衝系統“量脈”，全球首個雲量一體的量子機器學習平臺“量槳”，全球首個雲原生量子計算平臺“量易伏”。

段潤堯介紹，整個量子計算平臺中，最底層是硬件，即上述提到的硬件平臺；中間層是軟件，即操作系統部分，如“量易伏”；最上層是應用，比如“量槳”。

此外，“乾始”量子軟件平臺支持通過雲服務獲得量子算力，提供產業級量子計算服務。

爲了簡化量子硬件部署到量子服務的全流程，百度還推出全球首個全平臺量子軟硬一體解決方案“量羲”。據稱，“量羲”可提供私有化部署、雲服務、硬件接入等一系列服務，具備適配超導、離子阱等多類型主流量子芯片，可實現量子芯片“即插即用”。

據介紹，目前“量羲”已經完成中科院物理所超導量子芯片和中科院精密測量院離子阱量子芯片連接驗證。

儘管“乾始”和“量易伏”讓普通人得已真正接觸到量子計算，但當下離真正的量子計算應用還有不小的距離。

中國科學院院士、南方科技大學校長薛其坤稱，當前正處在第二次量子技術革命的前夜，是從量子力學規律的被動發現、發展，轉向主動設計與操控量子體系來發展技術的關鍵時期。

他認爲，第二次量子技術主要包括量子計算、量子通訊和量子精密測量等三大領域。

其中的核心，是量子計算。沒有量子計算，僅僅是量子通訊和量子精密測量，不足以動搖現有信息社會的信息技術根基。所謂量子計算，就是按照既定的算法和程序對量子態進行操控的過程。量子態的演化過程，對應的就是一個量子計算過程。

中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員、北京量子信息科學研究院院長向濤用經典計算機算力與量子計算算力做了對比：經典計算機算力與單位面積半導體芯片可容納的晶體管數或比特數成正比，增長一倍的算力，就必須增加一倍的集成度，在過去幾十年，經典計算機的集成度和計算能力大約每18個月增加一倍，這就是著名的“摩爾定律”；而量子計算機的算力隨比特數目不是線性增加的，是指數增加的，也即每增加一個量子比特，量子計算機的算力就會增加一倍，這就是量子計算對信息處理的指數加速作用，也是經典計算機可望而不可及的。

“從原理上講，如果實現了量子計算的指數加速作用，一臺100個容錯量子比特量子計算機的算力，就可超越目前世界上所有計算機的算力之和。”向濤說。

以信息安全爲例，經典計算機破譯RSA公鑰密碼系統需要10萬年以上，而量子計算機僅需1秒就能破譯。

清華大學交叉信息研究院教授段路明稱，目前實現量子計算硬件最主要的兩個模式是：超導量子計算和離子阱量子計算。

即使是國內最頂尖的學者、科學家，也認爲當下的量子計算髮展面臨着諸多挑戰。

其中之一就是量子芯片。百度量子計算研究所所長段潤堯稱，目前的量子芯片設計還處在半手工、半自動化的狀態，“在不遠的將來，當量子比特數量多達幾十、幾百個，乃至幾千、幾萬個，就沒有辦法用半自動化的方式做了。”

段潤堯稱，理想的方式是，百度能夠和硬件團隊進行合作，將來變成定製芯片，百度量子主要做芯片的設計，芯片性能的仿真、以及版圖自動生成這樣一整套QEDA工具。

除此之外，國內的量子科學還面臨着其他的內部和外部挑戰。中國科學院院士、深圳國際量子研究院院長、南方科技大學講席教授俞大鵬將其總結爲量子科技領域的“內憂”和“外患”。

“內憂”是指，由於一些傳統的影響，我們國家在高科技領域，常出現“跟班式”重複建設、惡性競爭等行維，“目前可以看到，是個人就搞量子這種事情比較多，但真正有自己核心技術和自己競爭力的並不多見。”俞大鵬說。

同時，過去國內科研領域偏重論文而輕於核心關鍵技術的研發，這導致很多高科技的設備都受國外製約。

對於“外患”，俞大鵬認爲，一方面隨着國際形勢的變化，美國對中國進行DUV等設備的禁運，造成國內在包括量子領域在內的高科技受到了封鎖。

這就需要國內科研人員去做多方面的突破。

向濤認爲，量子計算未來有三方面的發展趨勢：

一是規模化。當前量子計算可操控的量子比特數大約爲100個，今後將逐漸達到幾千個、幾萬個、幾百萬個；

二是容錯化。量子計算需要很多量子比特，但更需要製備出相干時間可以任意長的所謂容錯的邏輯量子比特；

三是集成化。集成和小型化是降低量子計算機研發成本、實現量子計算機廣泛應用的前提。對未來做一個展望，樂觀估計，到2030年左右，高質量製備和操控的量子比特數將達到上萬個，在這個基礎上，通過對大量量子比特的不斷糾錯，有望製備出一個能容錯的邏輯量子比特；再過10年，也就是2040年左右，能實現對多個邏輯量子比特和普適邏輯門的相關操控，並且在這個基礎上製備出普適的量子計算機。

跟其觀點類似的還有中國科學院院士、科學技術大學常務副校長、世界著名的量子信息專家潘建偉。他在該大會的致辭中也表示，當前學術界把量子計算的發展分爲三個發展階段：

第一階段的目標是實現量子計算優越性，即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機，這一目標已經有美國、中國和加拿大先後達到；

第二階段的目標是實現專用的量子模擬機，可以應用於組合優化、量子化學、機器學習等特定問題，來指導材料設計、藥物開發等，達到這一階段，估計還需要5到10年，是當前學術界主要的研究任務；

第三階段是在實現量子糾錯的基礎上，構建可編程通用量子計算機。由於技術上的難度，何時實現通用量子計算機尚未明確，學術界一般認爲還需要15年至20年，甚至更長的時間。

可以看出，量子計算距離實用化和產業化還有很長的路要走。

但是，一個值得反思的問題是，國內也出現了一些炒作概念、蜂擁而上的狀況。“尤其是對量子計算的應用進行了某些超於實際，不切實際的宣傳，對公衆和投資者造成了一定的誤導。這從長遠來講，會對量子計算整個領域的健康發展帶來不利影響。”潘建偉說。

當前量子科技的發展正逐步面向產業化，這就需要一個良好的量子發展生態來維持、保障和促進量子計算產學研深度融合和協同創新，從而提高基礎研究向實用化和工程化轉化的速度和效率。

在薛其坤看來，量子計算機的競爭歸根到底是發展生態的競爭，而量子生態的長遠發展，最關鍵的還是量子科技工作者和量子開發者。