“量子計(jì)算機(jī)何時(shí)能夠被研發(fā)出來？”

十幾年前，中國科學(xué)院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦向國外同行拋出這個(gè)問題時(shí)，得到的答案是：“也許明天早上，也許要等上50年，也有可能我們這輩子永遠(yuǎn)都看不到。”

而如今，這個(gè)問題的答案已經(jīng)不那么不確定了。比爾·蓋茨認(rèn)為，10年內(nèi)量子計(jì)算機(jī)可望用于云計(jì)算；歐洲科學(xué)家起草的《量子宣言》則預(yù)計(jì)，通用型的量子計(jì)算機(jī)可能會在2035年之前建造出來。

“量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)從開始大家懷疑的‘能不能做出來’到了‘早晚能做出來’的階段。而且快則10年、15年就會實(shí)現(xiàn)。因此，量子計(jì)算機(jī)研制已經(jīng)到了一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期?！惫鉅N在近期舉行的中國科學(xué)院學(xué)部“科學(xué)與技術(shù)前沿”論壇上如是說。

大有可為

全球正在掀起一場“量子技術(shù)熱”。而一個(gè)主流共識是，量子計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)是量子信息技術(shù)領(lǐng)域最重要的方向。中國科學(xué)院院士、中科院國家數(shù)學(xué)與交叉科學(xué)中心主任郭雷在上述論壇的致辭中強(qiáng)調(diào)了量子計(jì)算機(jī)的戰(zhàn)略地位：“量子計(jì)算機(jī)的研制已經(jīng)列入世界高新技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，成為科技強(qiáng)國崛起的重中之重。量子計(jì)算機(jī)必將掀起一場劃時(shí)代革命，一旦人類掌握這種運(yùn)算工具，人類文明將會發(fā)展到一個(gè)嶄新時(shí)代?！?/p>

這不是溢美之詞。郭光燦強(qiáng)調(diào)“不必過分夸大量子計(jì)算機(jī)‘什么都能做’”，通用量子計(jì)算機(jī)本身就是一個(gè)非常強(qiáng)大的新型運(yùn)算工具，研制出來后人們可以看到它會有很多不同的應(yīng)用——正如研發(fā)出電子計(jì)算機(jī)的時(shí)候，“當(dāng)時(shí)人們也不知道它有多少用處”。

“目前量子計(jì)算真正有代表性的算法或應(yīng)用，就是shor算法，可用于密碼破譯，也就是破解RSA的密鑰體系；第二是Grove量子搜索算法，用于大數(shù)據(jù)處理和云處理；最近討論比較多的是，用于多種物理化學(xué)和生物機(jī)制的模擬，如模擬光合作用?！敝锌圃毫孔有畔⒅攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子芯片研究方向帶頭人郭國平在簡述量子計(jì)算的應(yīng)用時(shí)認(rèn)為，未來量子計(jì)算機(jī)大有可為。

群雄逐鹿

放眼全球，美國政府、公司在量子計(jì)算機(jī)研制方面有著最為完整的布局。

2014年，IBM宣布耗資30億美元研發(fā)下一代芯片，主要是量子計(jì)算和神經(jīng)計(jì)算。今年的5月4日，IBM發(fā)布了5個(gè)量子比特的量子計(jì)算云服務(wù)。

與IBM幾乎同步，2014年，谷歌宣布來自加州大學(xué)圣巴拉拉分校的知名物理學(xué)家約翰·馬提尼斯研究組加入谷歌研發(fā)量子計(jì)算處理器，并于今年9月提出“quantum supremacy”量子機(jī)研制計(jì)劃。

美國另一科技巨頭——微軟也不甘落后，該公司負(fù)責(zé)研發(fā)的副總裁Peter Lee聲稱，微軟在研究方面最大的投資便是量子計(jì)算。

上述幾家巨頭的背后，均有美國政府的影子。今年7月22日，美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)辦公室發(fā)布量子信息文件稱：“預(yù)計(jì)幾十個(gè)量子比特、可供早期量子計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的系統(tǒng)可望在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)?！?/p>

歐洲在量子技術(shù)領(lǐng)域也有重大布局。在今年5月17日于荷蘭阿姆斯特丹舉辦的歐洲量子會議上，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言》，宣布將支持一項(xiàng)十億歐元的量子技術(shù)旗艦計(jì)劃?！读孔有浴穼α孔佑?jì)算機(jī)的研制做出了詳細(xì)部署，他們計(jì)劃5年內(nèi)發(fā)展處量子計(jì)算機(jī)新算法；5~10年“用大于100物理量子比特的、有特定用途量子計(jì)算機(jī)解決化學(xué)和材料科學(xué)難題”，并使研制出的通用量子計(jì)算機(jī)“超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力”。

澳大利亞近年來專注于硅基、磷摻雜的量子計(jì)算方案，并于今年年初成立了硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算國家實(shí)驗(yàn)室，給郭國平留下了深刻印象?！八麄?5年來一直集中力量做這件事情，為取道半導(dǎo)體方案研制量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)”。

俄羅斯也在加緊研究的步伐。據(jù)《消息報(bào)》報(bào)道，俄國家研究型工藝技術(shù)大學(xué)與俄羅斯量子中心正在啟動大型量子技術(shù)中心。報(bào)道稱，該中心將進(jìn)行量子通信和量子電子學(xué)研究，還計(jì)劃為量子技術(shù)領(lǐng)域的青年人才制定并實(shí)施教學(xué)項(xiàng)目。

差距到底有多大

中國不似美歐等國早早認(rèn)識和研究了量子技術(shù)，在量子計(jì)算機(jī)方面的研究剛剛起步。

科技部2011年啟動的“十二五”導(dǎo)向性重大項(xiàng)目（超級“973”），要求在2015年實(shí)現(xiàn)比特?cái)?shù)3 的量子芯片。郭國平介紹說，目前這一目標(biāo)已實(shí)現(xiàn)，而于今年啟動的“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“半導(dǎo)體量子芯片研究”，要求2020年前獲得品質(zhì)因子1000、比特?cái)?shù)6的量子芯片。

“這一目標(biāo)距離可用的量子計(jì)算機(jī)還有很大的距離，但是我們必須一步一步來?！惫鶉秸f。

量子比特?cái)?shù)雖說不是衡量量子計(jì)算硬件技術(shù)的絕對指標(biāo)，但在通用量子計(jì)算機(jī)成功研制出來之前，這一指標(biāo)的確有區(qū)分水平高低的價(jià)值。在谷歌公司上述“quantum supremacy”計(jì)劃中，該領(lǐng)域科學(xué)家普遍預(yù)期其將在明年或后年的“量子計(jì)算機(jī)”上達(dá)到40~50 量子比特。

不過，即便達(dá)到這一水平，它距離真正的通用量子計(jì)算機(jī)仍有巨大差距。

在郭光燦看來，一臺可實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，除了容錯(cuò)閾值和品質(zhì)因數(shù)（Q值）要達(dá)到相應(yīng)要求（現(xiàn)在還遠(yuǎn)未達(dá)到最低要求）外，邏輯比特?cái)?shù)需要達(dá)到約200個(gè)，而如果按照至少需要5個(gè)物理比特編碼一個(gè)邏輯比特計(jì)算的話，量子比特?cái)?shù)至少要達(dá)到1000個(gè)。

而這還僅僅是看得見、容易覺察的差距。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授、長江學(xué)者應(yīng)明生指出，中國在量子計(jì)算機(jī)研制的“兩條腿”（硬件和軟件）中缺少一條——量子軟件，這將使得中國在量子計(jì)算的國際競爭中長期處于被動狀態(tài)。

瘸腿才知路長。應(yīng)明生說，美國之所以進(jìn)展迅速，就在于其在量子計(jì)算機(jī)硬件、軟件乃至應(yīng)用方面都有明確的布局和集中攻堅(jiān)的力量?！坝布怯?jì)算機(jī)的根本，但軟件是計(jì)算科學(xué)的靈魂。量子計(jì)算機(jī)要做的話，軟件也要跟上”。

“我們跟美國相比確實(shí)差距太大，這個(gè)差距，第一個(gè)研究水平有差距，這個(gè)可以看得出來，第二個(gè)是研究隊(duì)伍和力量有差距。這些其實(shí)也有明顯的差距，這就是我們的現(xiàn)狀。”郭光燦說，美國政企在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的完善布局已經(jīng)上升到國家行為的層面，這或是中國應(yīng)該借鑒的。

鹿死誰手未可知

盡管差距巨大，但郭光燦看到，國內(nèi)量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展“勢頭非常好”。

“我認(rèn)為國內(nèi)勢頭發(fā)展得非常好，尤其是超導(dǎo)路線，原來是一個(gè)量子比特也沒有，現(xiàn)在已經(jīng)做到了5個(gè)、9個(gè)，而且是好幾家在做，原材料也從依賴國外進(jìn)口轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍锌圃何锢硭峁也牧闲阅芤苍诟纳??！惫鉅N說，盡管各國水平不一，但目前通用量子計(jì)算機(jī)還沒有哪個(gè)國家真正研制出來，“鹿死誰手還未可知，我們還有機(jī)會”。

要抓住這個(gè)機(jī)會，郭光燦認(rèn)為，中國需要從兩方面“大練內(nèi)功”。一方面，國家要加強(qiáng)在量子計(jì)算機(jī)研制方面的布局，將其上升到國家戰(zhàn)略層面，把方方面面的力量組織起來，支持量子計(jì)算機(jī)的研制?！氨热缫鉀Q做硬件研發(fā)人才的考核問題”。

“另一方面，我國要做好量子計(jì)算領(lǐng)域年輕人才培養(yǎng)。年輕一代非常重要，我們不光要著眼于現(xiàn)在的研究，還要放眼未來，而人才就是未來?！惫鉅N說，“就算感興趣的年輕人最后沒有從事相關(guān)的研制工作，也可以培養(yǎng)成能夠用量子計(jì)算機(jī)的人。”他表示，下一步他將考慮以一種合適的方式培養(yǎng)青年隊(duì)伍。

應(yīng)明生在人才培養(yǎng)的問題上與郭光燦不謀而合?！傲孔榆浖?jì)算科學(xué)其他領(lǐng)域不太一樣，短期內(nèi)難以發(fā)展起來，需要一個(gè)長期的、合作的過程?！睉?yīng)明生說，“量子物理和計(jì)算科學(xué)等學(xué)科應(yīng)該聯(lián)合起來，培養(yǎng)一批人。就算我們沒有贏得最后的突破，在量子信息技術(shù)成為技術(shù)潮流的時(shí)候，我們也不會太被動?！?/p>