30多年前,，物理學(xué)家費(fèi)曼提出利用量子構(gòu)建計(jì)算系統(tǒng),。如今，科學(xué)家正在驗(yàn)證這一設(shè)想。近日,，中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)青年計(jì)算機(jī)科技論壇發(fā)起了一次線上分享會(huì)，探討量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展路線和前景,。

相較傳統(tǒng)性能高

分享會(huì)的主講者之一,、合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司副總裁張輝認(rèn)為，量子計(jì)算并非“玄學(xué)”,，在激光,、超導(dǎo)等領(lǐng)域，人們已經(jīng)廣泛應(yīng)用了量子的特性,。不同的是,，應(yīng)用此前多在宏觀層面，量子計(jì)算則要在微觀層面上實(shí)現(xiàn)控制,，這也意味著更大的難度,。

量子計(jì)算機(jī)在金融分析、藥物研究,、材料制備等領(lǐng)域都具有很大優(yōu)勢(shì),。然而與超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)有何特別,？

“如果用超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)規(guī)劃最優(yōu)路線,，極限是控制幾百輛汽車。未來的智慧交通要同時(shí)計(jì)算幾十萬輛車的出行路線,，在理論上量子計(jì)算機(jī)能做到,。”張輝說,。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)用0和1儲(chǔ)存與處理數(shù)據(jù),。量子計(jì)算機(jī)的神奇之處在于，它的基本計(jì)算單元——量子比特可以同時(shí)是0和1,，即允許“疊加態(tài)”共存,。這讓其擁有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。舉個(gè)例子,，假如在800萬本書里找一個(gè)單詞,，經(jīng)典計(jì)算機(jī)一本本地搜索，而量子計(jì)算機(jī)則分身為800萬臺(tái)計(jì)算機(jī)同步搜尋。因此有人說,，在量子計(jì)算機(jī)面前,，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)就像算盤。

大數(shù)分解上也是如此,。曾經(jīng)有科學(xué)家用1600臺(tái)計(jì)算機(jī),，花了8個(gè)月的時(shí)間，成功分解了一個(gè)129位大數(shù)的質(zhì)因數(shù),，如果用量子計(jì)算機(jī)可能只需幾秒鐘的工夫,。

這一理論上的潛力，得到了令人振奮的驗(yàn)證,。去年1月,，IBM發(fā)布了全球首款商用量子計(jì)算原型機(jī)。去年10月,，谷歌公司宣稱用53位的專用量子芯片解決了一個(gè)隨機(jī)量子線路采樣的數(shù)學(xué)問題,。

進(jìn)步得益于近年來量子計(jì)算工程化的推進(jìn)。當(dāng)前,，幾乎所有發(fā)達(dá)國家都把量子計(jì)算當(dāng)作未來技術(shù)制高點(diǎn),，國內(nèi)外知名的IT公司紛紛涉足量子計(jì)算?！叭蛄孔佑?jì)算創(chuàng)業(yè)公司超過百家,，2019年是量子計(jì)算發(fā)展高光的一年?！睆堓x說,。

落地應(yīng)用挑戰(zhàn)多

量子計(jì)算機(jī)前景遠(yuǎn)大，但落地應(yīng)用長(zhǎng)路漫漫,。

“研發(fā)量子計(jì)算機(jī),，首先要足夠多的量子比特?！彬v訊量子實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員鄭亞銳解釋,。理論上，自然界中一切有量子效應(yīng)的載體都可用作量子比特,。鄭亞銳說,，一般認(rèn)為量子比特?cái)?shù)量要達(dá)到100萬個(gè)，量子計(jì)算機(jī)才能走向?qū)嵱?。可?dāng)下,，工業(yè)界還沒有實(shí)現(xiàn)控制100個(gè)量子比特,。

穩(wěn)定性是量子計(jì)算機(jī)落地應(yīng)用的另一個(gè)重要指標(biāo)，這就要求較長(zhǎng)的相干時(shí)間,，以及非常高的保真度,。“提高比特?cái)?shù)量的同時(shí),，又不降低保真度是學(xué)術(shù)界聚焦的難題?！编崄嗕J提到,。

經(jīng)過長(zhǎng)期探索，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo),、離子阱,、超冷原子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)都能夠用于開發(fā)量子計(jì)算機(jī),。這些不同的體系,，造就了量子計(jì)算機(jī)不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線。“每一個(gè)體系都有優(yōu)缺點(diǎn),?！睆堓x說，半導(dǎo)體量子點(diǎn)路線操控方便,，但相干時(shí)間很短,；光學(xué)或者離子阱路線，相干時(shí)間長(zhǎng),，但可擴(kuò)展性相對(duì)差,。

目前，多數(shù)開發(fā)者選擇的是超導(dǎo)和半導(dǎo)體兩條路線,，兩者的工程化,、工藝化也推進(jìn)較快。開發(fā)者希望借助先進(jìn)的半導(dǎo)體,、集成電路工藝,，在推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)研發(fā)之時(shí)，還為未來量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的潛在融合埋下伏筆,。

清華大學(xué)量子信息中心終身副教授金奇奐介紹說,，近年來，學(xué)界對(duì)離子阱路線的基礎(chǔ)研究很多,，但直到最近幾年,，才開始有公司大規(guī)模開展離子阱量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院研究員強(qiáng)曉剛認(rèn)為,，集成光量子芯片技術(shù),，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可實(shí)用化光量子計(jì)算系統(tǒng)的重要途徑,。

從電子管到晶體管,，再到集成電路，隨著材料和工藝的迭代，經(jīng)典計(jì)算機(jī)性能不斷提升,。“以此類比,，量子計(jì)算還處在‘電子管的時(shí)代’?！睆堓x說,，“也許某天人類突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)完美材料，做出量子計(jì)算機(jī)就不再難了,?！?/span>

這顯然不是一個(gè)人能夠完成的工作。鄭亞銳呼吁,，目前起步階段,，企業(yè)和科研院所應(yīng)該破除技術(shù)壁壘，過分強(qiáng)調(diào)技術(shù)保護(hù)不利于量子計(jì)算機(jī)開發(fā),。

發(fā)展前景待探索

信息技術(shù)的進(jìn)步有時(shí)超乎人們想象,。回到1946年,，誰又能想到,，人類首臺(tái)電腦，這個(gè)重達(dá)30噸,、3層樓高的龐然大物,，如今可以濃縮成米粒大小。

分享會(huì)上科學(xué)家預(yù)計(jì),，未來10至15年量子計(jì)算機(jī)有望落地應(yīng)用,，真正實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，為未來的通用量子計(jì)算打下基礎(chǔ),。

談及我國量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展水平,，張輝表示，與國際“領(lǐng)頭羊”有4—5年的差距,。在他看來,，這些差距主要不在科研，而在工程,、工藝方面,。量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)整體，芯片之外,，測(cè)控,、軟件、算法同樣需要高度重視,?！澳呐聨赘鶎?dǎo)線之間微弱的干擾,，都會(huì)影響整體計(jì)算性能,?！睆堓x說。

量子計(jì)算機(jī)會(huì)不會(huì)把經(jīng)典計(jì)算機(jī)擠下舞臺(tái),？分享者認(rèn)為,，兩者不是對(duì)抗關(guān)系，量子計(jì)算機(jī)不會(huì)全面替代經(jīng)典計(jì)算機(jī),。經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展至今,，已經(jīng)能處理絕大部分日常任務(wù)，未來兩者應(yīng)該兼容,、融合,。

開發(fā)量子計(jì)算機(jī)有較高門檻。本源量子公司成立兩年來,，僅硬件投入達(dá)5億—6億元,，而量子計(jì)算的主營業(yè)務(wù)暫時(shí)沒有收入。本源量子創(chuàng)始人之一,、中國科技大學(xué)教授郭國平很有信心：“量子計(jì)算就像一個(gè)山洞,，我們不知道里面有沒有寶藏，但一定要有勇氣沖進(jìn)去,，看看它到底長(zhǎng)什么樣,。”