30多年前，物理學家費曼提出利用量子構建計算系統。如今，科學家正在驗證這一設想。近日，中國計算機學會青年計算機科技論壇發起了一次線上分享會，探讨量子計算機的技術發展路線和前景。
相較傳統性能高
分享會的主講者之一、合肥本源量子計算科技有限責任公司副總裁張輝認為，量子計算并非“玄學”，在激光、超導等領域，人們已經廣泛應用了量子的特性。不同的是，應用此前多在宏觀層面，量子計算則要在微觀層面上實現控制，這也意味着更大的難度。
量子計算機在金融分析、藥物研究、材料制備等領域都具有很大優勢。然而與超級計算機相比，量子計算機有何特别?
“如果用超級計算機實時規劃路線，極限是控制幾百輛汽車。未來的智慧交通要同時計算幾十萬輛車的出行路線，在理論上量子計算機能做到。”張輝說。
經典計算機用0和1儲存與處理數據。量子計算機的神奇之處在于，它的基本計算單元——量子比特可以同時是0和1，即允許“疊加态”共存。這讓其擁有強大的并行計算能力。舉個例子，假如在800萬本書裡找一個單詞，經典計算機一本本地搜索，而量子計算機則分身為800萬台計算機同步搜尋。因此有人說，在量子計算機面前，現在的計算機就像算盤。
大數分解上也是如此。曾經有科學家用1600台計算機，花了8個月的時間，成功分解了一個129位大數的質因數，如果用量子計算機可能隻需幾秒鐘的工夫。
這一理論上的潛力，得到了令人振奮的驗證。去年1月，IBM發布了全球商用量子計算原型機。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随機量子線路采樣的數學問題。
進步得益于近年來量子計算工程化的推進。當前，幾乎所有發達國家都把量子計算當作未來技術制高點，國内外知名的IT公司紛紛涉足量子計算。“全球量子計算創業公司超過百家，2019年是量子計算發展高光的一年。”張輝說。
落地應用挑戰多
量子計算機前景遠大，但落地應用長路漫漫。
“研發量子計算機，首先要足夠多的量子比特。”騰訊量子實驗室研究員鄭亞銳解釋。理論上，自然界中一切有量子效應的載體都可用作量子比特。鄭亞銳說，一般認為量子比特數量要達到100萬個，量子計算機才能走向實用。可當下，工業界還沒有實現控制100個量子比特。
穩定性是量子計算機落地應用的另一個重要指标，這就要求較長的相幹時間，以及非常高的保真度。“提高比特數量的同時，又不降低保真度是學術界聚焦的難題。”鄭亞銳提到。
經過長期探索，科學家發現超導、離子阱、超冷原子、半導體量子點都能夠用于開發量子計算機。這些不同的體系，造就了量子計算機不同的技術實現路線。“每一個體系都有優缺點。”張輝說，半導體量子點路線操控方便，但相幹時間很短;光學或者離子阱路線，相幹時間長，但可擴展性相對差。
目前，多數開發者選擇的是超導和半導體兩條路線，兩者的工程化、工藝化也推進較快。開發者希望借助先進的半導體、集成電路工藝，在推進量子計算機研發之時，還為未來量子計算機與經典計算機的潛在融合埋下伏筆。
清華大學量子信息中心終身副教授金奇奂介紹說，近年來，學界對離子阱路線的基礎研究很多，但直到最近幾年，才開始有公司大規模開展離子阱量子計算機的研發。軍事科學院國防科技創新研究院研究員強曉剛認為，集成光量子芯片技術，是實現大規模可實用化光量子計算系統的重要途徑。
從電子管到晶體管，再到集成電路，随着材料和工藝的疊代，經典計算機性能不斷提升。“以此類比，量子計算還處在‘電子管的時代’。”張輝說，“也許某天人類突然發現一個完美材料，做出量子計算機就不再難了。”
這顯然不是一個人能夠完成的工作。鄭亞銳呼籲，目前起步階段，企業和科研院所應該破除技術壁壘，過分強調技術保護不利于量子計算機開發。
發展前景待探索
信息技術的進步有時超乎人們想象。回到1946年，誰又能想到，人類首台電腦，這個重達30噸、3層樓高的龐然大物，如今可以濃縮成米粒大小。
分享會上科學家預計，未來10至15年量子計算機有望落地應用，真正實現“量子霸權”，為未來的通用量子計算打下基礎。
談及我國量子計算機的發展水平，張輝表示，與國際“領頭羊”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。量子計算機是一個整體，芯片之外，測控、軟件、算法同樣需要高度重視。“哪怕幾根導線之間微弱的幹擾，都會影響整體計算性能。”張輝說。
量子計算機會不會把經典計算機擠下舞台?分享者認為，兩者不是對抗關系，量子計算機不會全面替代經典計算機。經典計算機發展至今，已經能處理絕大部分日常任務，未來兩者應該兼容、融合。
開發量子計算機有較高門檻。本源量子公司成立兩年來，僅硬件投入達5億—6億元，而量子計算的主營業務暫時沒有收入。本源量子創始人之一、中國科技大學教授郭國平很有信心：“量子計算就像一個山洞，我們不知道裡面有沒有寶藏，但一定要有勇氣沖進去，看看它到底長什麼樣。”
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