量子计算时代何时来临?

李佳师

曾经遥不可及的量子计算，落地的脚步越来越近。

不久前，IBM全球副总裁兼IBM东京研究院院长森本典繁（Nomhige Morimoto）在中国台北举行的IBM Think峰会开幕上表示，公司准备在未来三到五年内将量子计算机商业化。

紧接着，6月28日，华为昆仑量子计算机一体机原型机曝光，可实现全振幅模拟40量子比特，单振幅模拟最大144量子比特，华为同时还提供量子变成框架及图形用户界面，华为的最终目标是量产量子计算机。量子计算时代真的要来了吗？量子计算从实验室到落地应用还有哪些障碍？

量子计算还处于基础阶段

有人说，量子计算是一场“烧钱”的竞技赛，没钱根本玩不起。为什么烧钱又遥远的量子计算机被如此关注，且业界巨头纷纷不吝“钱”投入到这场竞技赛中？

世界知名量子计算科学家、密西根大学终身教授、阿里云量子技术首席科学家施尧耘认为，相比传统计算机，量子计算机的最大区别在于：传统计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题，而量子计算机却可以同时解决多个问题。传统计算机使用的运算规则是二进制，用O和1记录信息状态。但量子计算机由量子状态来描述信息，根据量子的特性它可以同时表示多种状态，并同时进行叠加运算，因而拥有更快速的运算方式。

“目前可以看到的量子计算机斑用有两类：一类是模拟量子系统，在材料科学、量子化学、药物发现等领域人们需要用大量的计算资源来模拟量子系统，量子计算机用来做这样的计算最自然最直接;第二类是用于助力现在互联网公司都需要做的计算，比如机器学习的提速、基于量子硬件的机器学习算法、加速优化算法和提高优化效果等。”施尧耘说。

尽管量子计算机“看上去很美”，但是量子计算机却很脆弱。“最大的硬伤是它需要在特定的低温环境下运行，容易受到温度变化、电气波动或物理震动的干扰。低温问题解决不了的话，就难以民用，甚至也不能保证他们做出的是量子计算机。”一位不愿意透露姓名的业内人士说，“个人觉得这东西几十年后会成为科学怪人那种东西，投入巨资、技术含量极高但是漫啥用。”

英特尔公司高级副总裁、CTO兼英特尔研究院院长Michael CMayberry此前曾表示：“量子计算可以解决一些现在无法解决的问题，但不会取代经典的CPU，而量子计算要想大规模商用还需解决4大问题，一是量子纠错，量子位也不完美，如何纠错还无法解决。

二是如何在本地控制量子位，而不是通过长长的线缆遥控。三是如何把这些量子位放到一个物理系统中。四是量子位之间如伺连接。量子计算确实还未成熟。”

而施尧耘认为，关于量子计算机未来挑战很多。其中的两个重点一是如何防止量子信息丢失及提高量子操作的精确度。现在大家只关注比特数是很不专业的，如果不把精度提上去，比特越多，整个芯片越垃圾。理解噪音来源、优化比特和门操作方案，进而提高精度，才是根本问题。另外一个挑战是低温电子学。控制量子比特的逻辑目前放在制冷机外面。目前，芯片只有几个、十几个比特，把导线通到里面问题不大。但是如果有几百、几千个比特，那就很难给众多的导线降温，把控制电路放在制冷机里的工作是很有挑战的前沿问题。

就像条条道路通罗马，但究竟哪一条才是通往罗马最便捷的路尚未有答案一样，目前整个量子计算领域还处于很基础的阶段，相当于经典计算历史上寻找晶体管、电子管的那个时代，哪一个物理载体是最终实现量子计算大规模计算的技术还不清楚。现在业界关于量子计算机的角逐有几大流派，包括拓扑量子计算、超导量子计算、金刚石NV色心量子计算等。谷歌、微软、IBM、英特尔等各大巨头分别采用不同的技术路径，在不同的技术路线上“狂奔”，看谁最先“奔”到罗马。

量子计算生态构建成为可能

尽管还有种种问题困扰，尽管还有很多问题没有解决，但这并不能阻止业界探索量子计算机的脚步，因为很多事情的发生永远超过我们的想象力。微软全球资深副总裁、人工智能事业部负责人沈向洋曾在接受《中國电子报》记者采访时透露：“微软15年前开始研究量子计算。关于量子计算的应用，除了加密，其他应用是什么，大家都不清楚，但未来它一定会带来产业的颠覆。就像50年前计算机出来，大家也不知道它能做什么—样。”

此前，施尧耘在接受媒体采访时曾说，现在大家对量子计算机的关注焦点是量子计算机硬件是量子比特数，但事实上，仅仅有量子计算机裸机是没有意义的。如果没有量子算法、量子编译、量子编程，那么量子计算机是无法发挥作用的，所以要想让量子计算机从实验室走向工业化、工程化，走向落地，就迫切需要发展量子编程、量子算法。也正因为如此，当施尧耘答应加盟阿里巴巴集团时就开始急切地招收量子体系结构、量子编程语言、量子编译等领域的稀缺和顶尖人才，目标是把量子科学家工程化，或者把软件工程师量子化。

基于施尧耘的观点，我们就能很好地理解IBM启动的量子芯片的云服务了。它之所以被全球关注，甚至有人用“引发量子计算海啸”来形容，原因是它使量子计算的生态构建成为了可能。

“尽管量子计算云服务的主要目标人群是科学家和学生，但其实任何想要一睹量子运算真容的人都可以试试。”IBM有关负责人表示，“我们想让大众开始拥有另一种思维，开始学习如何使用量子计算机编程。让外部的程序员和研究者通过算法来测试这块量子芯片。”业界有评论认为，IBM在量子计算的推进上，走在了前面，从推出到目前为止拥有最多量子比特的计算机，到推出量子摩尔定律，再到现在推出量子芯片测试云服务，IBM将量子计算从技术领先到落地化、工程化已经“奔”出了一条初步线路。

关于IBM的量子计算机，前英特尔全球副总裁、RISC-v中国基金会主席方之熙在接受《中国电子报》记者采访时表示，这是第一个可能实用的量子计算机样机，正式产品级的量子计算机应该不远了。量子计算机取代不了现有的通用计算机，但对一些平行运算量很大的新兴应用，如人工智能、区块链、密码破解、虚拟货币等的应用，在云端的影响会很大。