量子計算時代何時來臨?

李佳師

曾經遙不可及的量子計算，落地的腳步越來越近。

不久前，IBM全球副總裁兼IBM東京研究院院長森本典繁（Nomhige Morimoto）在中國臺北舉行的IBM Think峰會開幕上表示，公司準備在未來三到五年內將量子計算機商業(yè)化。

緊接著，6月28日，華為昆侖量子計算機一體機原型機曝光，可實現全振幅模擬40量子比特，單振幅模擬最大144量子比特，華為同時還提供量子變成框架及圖形用戶界面，華為的最終目標是量產量子計算機。量子計算時代真的要來了嗎？量子計算從實驗室到落地應用還有哪些障礙？

量子計算還處于基礎階段

有人說，量子計算是一場“燒錢”的競技賽，沒錢根本玩不起。為什么燒錢又遙遠的量子計算機被如此關注，且業(yè)界巨頭紛紛不吝“錢”投入到這場競技賽中？

世界知名量子計算科學家、密西根大學終身教授、阿里云量子技術首席科學家施堯耘認為，相比傳統(tǒng)計算機，量子計算機的最大區(qū)別在于：傳統(tǒng)計算機只能按照時間順序一個個地解決問題，而量子計算機卻可以同時解決多個問題。傳統(tǒng)計算機使用的運算規(guī)則是二進制，用O和1記錄信息狀態(tài)。但量子計算機由量子狀態(tài)來描述信息，根據量子的特性它可以同時表示多種狀態(tài)，并同時進行疊加運算，因而擁有更快速的運算方式。

“目前可以看到的量子計算機斑用有兩類：一類是模擬量子系統(tǒng)，在材料科學、量子化學、藥物發(fā)現等領域人們需要用大量的計算資源來模擬量子系統(tǒng)，量子計算機用來做這樣的計算最自然最直接;第二類是用于助力現在互聯網公司都需要做的計算，比如機器學習的提速、基于量子硬件的機器學習算法、加速優(yōu)化算法和提高優(yōu)化效果等。”施堯耘說。

盡管量子計算機“看上去很美”，但是量子計算機卻很脆弱。“最大的硬傷是它需要在特定的低溫環(huán)境下運行，容易受到溫度變化、電氣波動或物理震動的干擾。低溫問題解決不了的話，就難以民用，甚至也不能保證他們做出的是量子計算機。”一位不愿意透露姓名的業(yè)內人士說，“個人覺得這東西幾十年后會成為科學怪人那種東西，投入巨資、技術含量極高但是漫啥用。”

英特爾公司高級副總裁、CTO兼英特爾研究院院長Michael CMayberry此前曾表示：“量子計算可以解決一些現在無法解決的問題，但不會取代經典的CPU，而量子計算要想大規(guī)模商用還需解決4大問題，一是量子糾錯，量子位也不完美，如何糾錯還無法解決。

二是如何在本地控制量子位，而不是通過長長的線纜遙控。三是如何把這些量子位放到一個物理系統(tǒng)中。四是量子位之間如伺連接。量子計算確實還未成熟。”

而施堯耘認為，關于量子計算機未來挑戰(zhàn)很多。其中的兩個重點一是如何防止量子信息丟失及提高量子操作的精確度。現在大家只關注比特數是很不專業(yè)的，如果不把精度提上去，比特越多，整個芯片越垃圾。理解噪音來源、優(yōu)化比特和門操作方案，進而提高精度，才是根本問題。另外一個挑戰(zhàn)是低溫電子學。控制量子比特的邏輯目前放在制冷機外面。目前，芯片只有幾個、十幾個比特，把導線通到里面問題不大。但是如果有幾百、幾千個比特，那就很難給眾多的導線降溫，把控制電路放在制冷機里的工作是很有挑戰(zhàn)的前沿問題。

就像條條道路通羅馬，但究竟哪一條才是通往羅馬最便捷的路尚未有答案一樣，目前整個量子計算領域還處于很基礎的階段，相當于經典計算歷史上尋找晶體管、電子管的那個時代，哪一個物理載體是最終實現量子計算大規(guī)模計算的技術還不清楚。現在業(yè)界關于量子計算機的角逐有幾大流派，包括拓撲量子計算、超導量子計算、金剛石NV色心量子計算等。谷歌、微軟、IBM、英特爾等各大巨頭分別采用不同的技術路徑，在不同的技術路線上“狂奔”，看誰最先“奔”到羅馬。

量子計算生態(tài)構建成為可能

盡管還有種種問題困擾，盡管還有很多問題沒有解決，但這并不能阻止業(yè)界探索量子計算機的腳步，因為很多事情的發(fā)生永遠超過我們的想象力。微軟全球資深副總裁、人工智能事業(yè)部負責人沈向洋曾在接受《中國電子報》記者采訪時透露：“微軟15年前開始研究量子計算。關于量子計算的應用，除了加密，其他應用是什么，大家都不清楚，但未來它一定會帶來產業(yè)的顛覆。就像50年前計算機出來，大家也不知道它能做什么—樣。”

此前，施堯耘在接受媒體采訪時曾說，現在大家對量子計算機的關注焦點是量子計算機硬件是量子比特數，但事實上，僅僅有量子計算機裸機是沒有意義的。如果沒有量子算法、量子編譯、量子編程，那么量子計算機是無法發(fā)揮作用的，所以要想讓量子計算機從實驗室走向工業(yè)化、工程化，走向落地，就迫切需要發(fā)展量子編程、量子算法。也正因為如此，當施堯耘答應加盟阿里巴巴集團時就開始急切地招收量子體系結構、量子編程語言、量子編譯等領域的稀缺和頂尖人才，目標是把量子科學家工程化，或者把軟件工程師量子化。

基于施堯耘的觀點，我們就能很好地理解IBM啟動的量子芯片的云服務了。它之所以被全球關注，甚至有人用“引發(fā)量子計算海嘯”來形容，原因是它使量子計算的生態(tài)構建成為了可能。

“盡管量子計算云服務的主要目標人群是科學家和學生，但其實任何想要一睹量子運算真容的人都可以試試。”IBM有關負責人表示，“我們想讓大眾開始擁有另一種思維，開始學習如何使用量子計算機編程。讓外部的程序員和研究者通過算法來測試這塊量子芯片。”業(yè)界有評論認為，IBM在量子計算的推進上，走在了前面，從推出到目前為止擁有最多量子比特的計算機，到推出量子摩爾定律，再到現在推出量子芯片測試云服務，IBM將量子計算從技術領先到落地化、工程化已經“奔”出了一條初步線路。

關于IBM的量子計算機，前英特爾全球副總裁、RISC-v中國基金會主席方之熙在接受《中國電子報》記者采訪時表示，這是第一個可能實用的量子計算機樣機，正式產品級的量子計算機應該不遠了。量子計算機取代不了現有的通用計算機，但對一些平行運算量很大的新興應用，如人工智能、區(qū)塊鏈、密碼破解、虛擬貨幣等的應用，在云端的影響會很大。