量子计算机：离产业化还有多久

科技舆情分析研究所

量子计算机，有别于传统的电子计算机，它必将是未来计算机的主流。量子计算的概念最早由美国物理学家费曼提出，认为量子计算的能力远远超出我们的想象力，甚至算是“超能力”。与传统的电子计算机不同的是，传统的计算机的内部由电子元器件组成，所以它的运算存在天花板，但量子本身就是一个量子系统，由多个处于量子状态的粒子组成。用量子计算机模拟量子系统的过程，其实就是用量子系统去模拟另一个量子系统，其运算能力在理论上是没有上限的。

目前谷歌、IBM、英特尔等世界级的科技巨头都纷纷投身到量子计算机研发制造的行列之中来。在超导量子计算方面，我国的中科院量子信息和量子科技创新研究院、Google量子人工智能实验室、IBM被称为全球顶尖量子科技研发制造机构！

中国首款量子计算机上线发力

9月12日，本源量子公司发布了中国第一款量子计算机“悟源”，使用的核心硬件是6个量子比特的夸父芯片。

9月16日，IBM首次公布了其量子计算硬件的未来路线图。目前该公司的量子处理器最高是65个量子比特，2021年计划推出127个量子比特，2022年计划推出433个量子比特，到2023年底争取打造出超过1000个量子比特的芯片。

两相对比，中国虽然明显落后，但总归是迈出了量子实用化的第一步。

2019年10月，谷歌发布了一款53量子比特的处理器，只用了短短200秒，就完成了经典计算机需要10000年才能完成的计算量。

当时，谷歌宣称，基于自身的技术积累，谷歌已经建立了“量子霸权”。

一个300位大数，利用万亿次经典计算机分解，需要花费15万年，而同等级别的量子计算机只需要1秒。

此前，瑞典皇家理工学院的MartinEkera和Google的CraigGidney利用量子计算机，在8小时内就破解了世界上最安全的加密算法RSA-2048。

此事也就说明，在量子计算机强大的算力面前，任何密码都将形同虚设。

2016年，IBM推出第一款量子计算云平台；2019年，亚马逊、微软也相继推出了量子计算云平台。

目前，世界上最先进的量子计算机是IBM的65个量子比特。此前，世界上真正能跟IBM掰掰手腕的量子计算云平台，只有5家，但中国一家都没有。

正是面对这种“量子霸权”，中国开始发力，或者说本源量子公司开始发力了。

本源量子公司成立于2017年，由中科大中科院量子信息重点实验室的郭光灿院士和郭国平牵头成立，旨在网罗量子计算领域人才，将量子计算推向产业化。

正是因为这股时不我待的紧迫感，本源量子只用3年就推出了中国首款量子计算机。

为了避免重蹈华为覆辙，量子计算机“悟源”的国产化程度非常高，目前唯一的“舶来品”就是外层制冷机，量子芯片需要借此在接近零度的低温环境下工作。这项技术目前只被国外几家公司垄断，但国内的相关企业正在加紧研发，相信最早在明年即可实现完全国产化。

截至2019年底，本源量子已经获得了400多项专利，在全球量子计算发明排行榜上位列第12位。而本源量子也宣布：“2021年底，将会推出60比特的超导量子计算机。”

如此，我们中国人也可以在人类量子计算历史上，写下浓墨重彩的一笔。

量子计算机落地应用挑战多

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。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。

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。”本源量子副总裁张辉说，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。

未来应用会从特定领域开始

量子计算机体积比常规计算机大数倍，并且只能进行特定领域的计算，严苛的低温运行环境以及千万美元的价格（D-Wave1500万美元售价）使普通个人用户无法使用量子计算机。即便是较为廉价的量子云服务，作为领先时代的技术，相比经典计算机并不能更好地满足日常生活环境的大规模应用，量子软件的学习成本也抬高了使用门槛。因此，个人用户尚不具备使用量子计算机的条件。

量子计算机想要达到商用水平需要经历三个阶段，第一个阶段就是研发原型机，这个阶段基本上已经结束。第二阶段重点在于寻找专用级的芯片，用它来解决特定行业问题。第三阶段就是发展出真正通用量子计算机，外国专业人士预测2030年这个市场的估值大约是20亿美元，2050年极有可能市场估值暴增百倍。

前瞻产业研究院认为，对于量子计算元年的到来仍然无法精确预测，但可以想象的是生物医药、化工行业将在量子元年应用市场中占据较大规模。随着时间的推移，搜索、机器学习等市场占比将逐步扩大，成为量子计算应用领域的主流。

量子计算机目前依旧停留在实验室阶段，虽然基础理论已基本完善，可离产业化还有很长的路要走。