量子计算拥抱更多可能
本报记者 喻思南
2020年04月08日 来源：人民网－人民日报
30多年前，物理学家费曼提出利用量子构建计算系统。如今，科学家正在验证这一设想。近日，中国计算机学会青年计算机科技论坛发起了一次线上分享会，探讨量子计算机的技术发展路线和前景。
相较传统性能高
分享会的主讲者之一、合肥本源量子计算科技有限责任公司副总裁张辉认为，量子计算并非“玄学”，在激光、超导等领域，人们已经广泛应用了量子的特性。不同的是，应用此前多在宏观层面，量子计算则要在微观层面上实现控制，这也意味着更大的难度。
量子计算机在金融分析、药物研究、材料制备等领域都具有很大优势。然而与超级计算机相比，量子计算机有何特别？
“如果用超级计算机实时规划最优路线，极限是控制几百辆汽车。未来的智慧交通要同时计算几十万辆车的出行路线，在理论上量子计算机能做到。”张辉说。
经典计算机用0和1储存与处理数据。量子计算机的神奇之处在于，它的基本计算单元——量子比特可以同时是0和1，即允许“叠加态”共存。这让其拥有强大的并行计算能力。举个例子，假如在800万本书里找一个单词，经典计算机一本本地搜索，而量子计算机则分身为800万台计算机同步搜寻。因此有人说，在量子计算机面前，现在的计算机就像算盘。
大数分解上也是如此。曾经有科学家用1600台计算机，花了8个月的时间，成功分解了一个129位大数的质因数，如果用量子计算机可能只需几秒钟的工夫。
这一理论上的潜力，得到了令人振奋的验证。去年1月，IBM发布了全球首款商用量子计算原型机。去年10月，谷歌公司宣称用53位的专用量子芯片解决了一个随机量子线路采样的数学问题。
进步得益于近年来量子计算工程化的推进。当前，几乎所有发达国家都把量子计算当作未来技术制高点，国内外知名的IT公司纷纷涉足量子计算。“全球量子计算创业公司超过百家，2019年是量子计算发展高光的一年。”张辉说。
落地应用挑战多
量子计算机前景远大，但落地应用长路漫漫。
“研发量子计算机，首先要足够多的量子比特。”腾讯量子实验室高级研究员郑亚锐解释。理论上，自然界中一切有量子效应的载体都可用作量子比特。郑亚锐说，一般认为量子比特数量要达到100万个，量子计算机才能走向实用。可当下，工业界还没有实现控制100个量子比特。
稳定性是量子计算机落地应用的另一个重要指标，这就要求较长的相干时间，以及非常高的保真度。“提高比特数量的同时，又不降低保真度是学术界聚焦的难题。”郑亚锐提到。
经过长期探索，科学家发现超导、离子阱、超冷原子、半导体量子点都能够用于开发量子计算机。这些不同的体系，造就了量子计算机不同的技术实现路线。“每一个体系都有优缺点。”张辉说，半导体量子点路线操控方便，但相干时间很短；光学或者离子阱路线，相干时间长，但可扩展性相对差。
目前，多数开发者选择的是超导和半导体两条路线，两者的工程化、工艺化也推进较快。开发者希望借助先进的半导体、集成电路工艺，在推进量子计算机研发之时，还为未来量子计算机与经典计算机的潜在融合埋下伏笔。
清华大学量子信息中心终身副教授金奇奂介绍说，近年来，学界对离子阱路线的基础研究很多，但直到最近几年，才开始有公司大规模开展离子阱量子计算机的研发。军事科学院国防科技创新研究院研究员强晓刚认为，集成光量子芯片技术，是实现大规模可实用化光量子计算系统的重要途径。
从电子管到晶体管，再到集成电路，随着材料和工艺的迭代，经典计算机性能不断提升。“以此类比，量子计算还处在‘电子管的时代’。”张辉说，“也许某天人类突然发现一个完美材料，做出量子计算机就不再难了。”
这显然不是一个人能够完成的工作。郑亚锐呼吁，目前起步阶段，企业和科研院所应该破除技术壁垒，过分强调技术保护不利于量子计算机开发。
发展前景待探索
信息技术的进步有时超乎人们想象。回到1946年，谁又能想到，人类首台电脑，这个重达30吨、3层楼高的庞然大物，如今可以浓缩成米粒大小。
分享会上科学家预计，未来10至15年量子计算机有望落地应用，真正实现“量子霸权”，为未来的通用量子计算打下基础。
谈及我国量子计算机的发展水平，张辉表示，与国际“领头羊”有4—5年的差距。在他看来，这些差距主要不在科研，而在工程、工艺方面。量子计算机是一个整体，芯片之外，测控、软件、算法同样需要高度重视。“哪怕几根导线之间微弱的干扰，都会影响整体计算性能。”张辉说。
量子计算机会不会把经典计算机挤下舞台？分享者认为，两者不是对抗关系，量子计算机不会全面替代经典计算机。经典计算机发展至今，已经能处理绝大部分日常任务，未来两者应该兼容、融合。
开发量子计算机有较高门槛。本源量子公司成立两年来，仅硬件投入达5亿—6亿元，而量子计算的主营业务暂时没有收入。本源量子创始人之一、中国科技大学教授郭国平很有信心：“量子计算就像一个山洞，我们不知道里面有没有宝藏，但一定要有勇气冲进去，看看它到底长什么样。”
