2019年是量子計(jì)算占據(jù)新聞熱點(diǎn)版面的一年，從1月份IBM公布全球首款商用量子計(jì)算原型機(jī)到9月份Google宣告在全球首次實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

這一年在量子計(jì)算的歷史上將具有里程碑的意義，因?yàn)樗馕吨孔佑?jì)算的時(shí)代將會(huì)到來。

量子計(jì)算離我們到底還有多遠(yuǎn)？實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商用還需要多長(zhǎng)時(shí)間？當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)處在什么時(shí)代？

今日，在CCF YOCSEF總部AC委員、總部侯任學(xué)術(shù)秘書、北京交通大學(xué)陶耀東，CCF YOCSEF 總部AC委員、北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院王偉主持下，CCF YOCSEF（中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)青年計(jì)算機(jī)科技論壇）舉辦了“量子計(jì)算機(jī)離我們還有多遠(yuǎn)？”線上論壇，針對(duì)此主題，來自合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司的張輝博士做了“量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況與應(yīng)用前景”的報(bào)告。

來自騰訊量子實(shí)驗(yàn)室鄭亞銳博士做了“實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，我們還需要做些什么？”的報(bào)告，清華大學(xué)終身副教授Kihwan Kim（金奇奐）做了“Quantum Computation with Trapped Ions”的報(bào)告。

另外，中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院李綠周教授，國(guó)防科技大學(xué)強(qiáng)曉剛博士作為特邀嘉賓也進(jìn)行了發(fā)言。天津理工大學(xué)教授羅訓(xùn)、人民郵電出版社高級(jí)策劃編輯賀瑞君擔(dān)任線上主席。

張輝：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士。2003年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2008年6月，獲得中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士學(xué)位，師承中國(guó)量子信息奠基人郭光燦院士，在校期間主要研究方向是低溫半導(dǎo)體電子輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究和雙量子點(diǎn)中的量子信息理論研究。現(xiàn)任合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司副總裁，負(fù)責(zé)公司運(yùn)營(yíng)和企劃工作。

在報(bào)告中，張輝提到，量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)并不是水火不相容的關(guān)系，中國(guó)與美國(guó)在量子計(jì)算方面至少有4~5年的差距，但是并不是“卡脖子”狀態(tài)。..。

量子計(jì)算機(jī)基本概況

量子力學(xué)已經(jīng)有100多年的歷史了，目前量子信息的技術(shù)也已經(jīng)非常多了，包括原子能、激光、超導(dǎo)、晶體管、半導(dǎo)體等等，很多的技術(shù)的應(yīng)用都已經(jīng)到了量子力學(xué)效應(yīng)狀態(tài)。

歷史上量子革命有兩次，第一次主要是宏觀的量子行為，第二次主要是微觀量子技術(shù)體系，我們目前的努力也是集中在微觀體系。

兩次革命都是在說明量子不是非常神秘的東西，它是一門非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)。量子計(jì)算是基于量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)的交叉學(xué)科，是一個(gè)全新的學(xué)科。

從19世紀(jì)80年代開始，歐美已經(jīng)有科學(xué)家提出量子計(jì)算機(jī)的概念，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)有了一些算法，包括破解密碼的算法，搜索的算法等等。這些理論構(gòu)建起了整個(gè)量子計(jì)算的完備體系。

到了21世紀(jì)，研究重點(diǎn)是把理論研究帶出實(shí)驗(yàn)室，最近也可以看到非常多的現(xiàn)象級(jí)新聞，這些都是標(biāo)志。

不可否認(rèn)，量子計(jì)算還處在早期發(fā)展的階段，類比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，今天的量子計(jì)算機(jī)還處在經(jīng)典計(jì)算機(jī)的電子管時(shí)代，就連最底層的物理載體還沒有完全形成。

目前定義量子計(jì)算的5項(xiàng)指標(biāo)，包括量子比特的編譯方式、相干時(shí)間、操作、時(shí)間、輸入/輸出，未來的可擴(kuò)展性等參數(shù)指標(biāo)，都不是非常完美的物理體系。

量子計(jì)算也有非常多的體系，每一個(gè)體系都有它本身的優(yōu)缺點(diǎn)，比如離子阱，優(yōu)勢(shì)是量子比特品質(zhì)高，相干時(shí)間較長(zhǎng)，量子比特制備和讀出效率較高，缺點(diǎn)是儲(chǔ)存少，消相干，可擴(kuò)展性差，小型化難等等。

注：相干時(shí)間指在量子效應(yīng)保證的時(shí)間里，對(duì)其進(jìn)行操作的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間當(dāng)越長(zhǎng)越好。

在光學(xué)體系里面，其優(yōu)勢(shì)包括相干時(shí)間長(zhǎng)，操縱手段簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性好。缺點(diǎn)是兩個(gè)量子比特之間的邏輯門操作難。

還有拓?fù)?，它的?yōu)勢(shì)包括，對(duì)環(huán)境干擾噪音、雜質(zhì)有很大的抵抗能力，但它目前還停留在理論層面，無器件化實(shí)現(xiàn)。

在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，雖然多種方案研究都取得一定進(jìn)展，但仍然沒有實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線收斂。目前進(jìn)展最快、最好的技術(shù)是超導(dǎo)電路。

這有兩個(gè)原因，第一個(gè)是人類很希望借助現(xiàn)在非常先進(jìn)的技術(shù)促進(jìn)發(fā)展，包括半導(dǎo)體集成、電路工藝和技術(shù)。

第二個(gè)原因是它的優(yōu)勢(shì)是可擴(kuò)展性非常強(qiáng)，固態(tài)器件、電學(xué)方向能夠使未來的量子計(jì)算與經(jīng)典的計(jì)算機(jī)相兼容、融合。Google、IBM、英特爾這些公司都把精力放在了超導(dǎo)或者半導(dǎo)體方向。

對(duì)比一下，經(jīng)典計(jì)算機(jī)是編譯在一個(gè)宏觀的體系上，主要用高電壓和低電壓來表示0和1。量子計(jì)算機(jī)未來是編譯在原子或者是電子這種微觀的體系上。比如用電子來編譯0和1，用上下電子自旋狀態(tài)來表示0和1。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展中晶體管越做越小，已經(jīng)把工藝推進(jìn)到7nm、5nm，甚至有人說要做到3納米。直接面臨的最困難問題是晶體管的尺寸越做越小，中間的阻隔變得越來越薄，已經(jīng)做到5納米的時(shí)候，原子數(shù)只有幾十個(gè)了。（3nm的話，會(huì)有十幾個(gè)。）

在微觀體系下，電子會(huì)發(fā)生量子的隧穿效應(yīng)，不能很精準(zhǔn)表示0和1，電子不能精確定義高低電壓，會(huì)來回亂跑，這也就是通常說的摩爾定律碰到天花板的原因。

解決方法是換材料，比如原來用土，現(xiàn)在換用塑料。換用塑料會(huì)讓阻隔越來越結(jié)實(shí)，但是到了微觀體系，原子級(jí)別，無論用什么材料，都無法阻止電子隧穿效應(yīng)，現(xiàn)在的科學(xué)家要么極力避免量子效應(yīng)，要么干脆利用量子力學(xué)。

國(guó)內(nèi)外量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展

量子計(jì)算機(jī)有兩個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)。

第一個(gè)是可以為海量數(shù)據(jù)的并行計(jì)算（性能）帶來指數(shù)級(jí)別的提升，這種強(qiáng)大的功能，可以運(yùn)用在包括金融、數(shù)據(jù)的搜索處理等領(lǐng)域。

第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是量子計(jì)算編譯在電子原子上，在模擬方面會(huì)表現(xiàn)的非常自然，例如新材料的發(fā)現(xiàn)，生物醫(yī)藥的藥物合成。

量子計(jì)算發(fā)展其實(shí)也就是最近兩三年的時(shí)間，歐洲、亞洲、北美、澳洲的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，幾乎都會(huì)涉及到量子計(jì)算的方向，很多國(guó)家已經(jīng)上升到了國(guó)家層面，比如像美國(guó)已經(jīng)把量子計(jì)算提升到阿波羅登月計(jì)劃的高度。

從企業(yè)的角度來看，比較大的IT公司，例如Google、IBM、微軟、Intel，以及國(guó)內(nèi)的騰訊、阿里巴巴、百度、華為，幾乎都會(huì)涉及到量子計(jì)算，并且全球已經(jīng)有上百家的量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)公司，發(fā)展非?？焖伲惨呀?jīng)有非常好的成果展現(xiàn)。

量子計(jì)算機(jī)可以和經(jīng)典的電子計(jì)算機(jī)類比，量子芯片對(duì)應(yīng)中央處理器，量子測(cè)控體系對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)的主板。還會(huì)有很多的量子軟件，包括操作系統(tǒng)，包括底層的匯編語言、操作指令，包括未來基于這些匯編語言開發(fā)的量子應(yīng)用軟件算法。

2019年是量子計(jì)算發(fā)展的高光時(shí)刻，Google的量子霸權(quán)可以類比當(dāng)年人工智能的阿爾法狗下圍棋。正是由于AI下圍棋打敗了人類，才把人工智能推到了一定的發(fā)展高度。

專家們認(rèn)為Google的量子霸權(quán)，完全有可能點(diǎn)燃量子計(jì)算熱潮。2019年年初，IBM推出了20個(gè)比特的量子計(jì)算原型機(jī)，并且已經(jīng)開始售賣。2019年年底，Google的量子霸權(quán)，僅僅只用了53位的專用量子芯片就解決了一個(gè)數(shù)學(xué)問題。

專利方面也有很多進(jìn)展，加拿大的D-Wave獲批了300多項(xiàng)，IBM也有235項(xiàng)，微軟有212項(xiàng)，本源量子作為中國(guó)唯一上榜企業(yè)有36項(xiàng)。

從量子計(jì)算角度看，中國(guó)和美國(guó)至少還有4~5年的差距，但現(xiàn)狀比經(jīng)典計(jì)算機(jī)好了很多，至少不會(huì)被人“卡脖子”。

量子計(jì)算機(jī)商用預(yù)測(cè)大概會(huì)分三個(gè)階段，當(dāng)前第一階段已經(jīng)走完。在量子計(jì)算的原型機(jī)的開發(fā)這一水平上，Google提出的量子霸權(quán)是標(biāo)志性事件。

第二階段是接下來的十年，重點(diǎn)是尋找專用級(jí)的芯片，用它來解決特定行業(yè)的問題。

第三階段，是再往后十幾年的時(shí)間，目的是真正把通用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)出來。波士頓咨詢?cè)?jīng)預(yù)測(cè)，到2030年，保守估計(jì)市場(chǎng)需求有21億美金，樂觀估計(jì)可以有600億美金，到2050年的時(shí)候可以達(dá)到2600~3000億美金。

量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

借鑒經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，量子計(jì)算機(jī)的歷史趨勢(shì)會(huì)加速實(shí)現(xiàn)，在過去的一段時(shí)間里，已經(jīng)有非常多的人投身產(chǎn)業(yè)和商業(yè)的應(yīng)用，包括一些量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，例如IBM Q Network、本源量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟OQIA。

產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的意義是（量子計(jì)算機(jī)）需要和行業(yè)發(fā)生碰撞，從而找到具體行業(yè)存在的問題，或者困難，然后用量子計(jì)算機(jī)來幫助解決。

有了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，量子計(jì)算在近一兩年的時(shí)間里發(fā)展非?？?，有了許多實(shí)際探索的案例。例如量子計(jì)算和人工智能，它能夠大幅地提升機(jī)器學(xué)習(xí)的效率，能夠設(shè)計(jì)很多的算法解決實(shí)際問題。

在智慧交通方向，理論上已經(jīng)可以做路線最優(yōu)化的算法研究。具體案例包括Google和德國(guó)的大眾。2019年，這些公司已經(jīng)在用量子計(jì)算根據(jù)算法和交通數(shù)據(jù)控制了九輛車。

9輛車可能經(jīng)典計(jì)算機(jī)也能解決，但是，這標(biāo)志著一個(gè)驗(yàn)證，意味著量子計(jì)算可以用很簡(jiǎn)單的模型就能做到控制車。隨著芯片的比特?cái)?shù)量越來越多，它能控制的車的數(shù)量會(huì)非常容易達(dá)到指數(shù)級(jí)別增長(zhǎng)。

量子計(jì)算加金融，也能夠用來解決金融領(lǐng)域的困難和問題，摩根大通和IBM共同研究了派生定價(jià)，二次加速量子算法。很多的銀行對(duì)這些算法也非常感興趣，都在和量子計(jì)算公司來進(jìn)行實(shí)際的合作。

量子計(jì)算和生物醫(yī)藥這個(gè)方向的結(jié)合也非常吸引人。在過去的一段時(shí)間里面，很多公司或者是機(jī)構(gòu)已經(jīng)與醫(yī)院合作，已經(jīng)產(chǎn)生了很多的算法，包括怎么模擬分子、原子。

但是目前受限于芯片的發(fā)展，只能模擬氫分子的狀況，但隨著芯片比特?cái)?shù)的發(fā)展，未來一定會(huì)模擬到更多的分子原子。還有復(fù)雜藥物的合成，量子計(jì)算的自然性非常適合用來模擬，可以縮短研發(fā)時(shí)間，能夠帶來很大的價(jià)值。

在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)氣流的一些變化，用當(dāng)前的經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬非常困難。量子計(jì)算機(jī)則有非常多的優(yōu)勢(shì)。世界上的一些飛機(jī)制造商，或者是一些軍工企業(yè)，都開始用量子計(jì)算的方式來進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)等方面的模擬和研究。

整個(gè)量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)鏈，包括上游、中游、下游，都會(huì)帶動(dòng)非常多的產(chǎn)業(yè)和企業(yè)發(fā)展，上游需要很多硅晶圓、靶材、耗材、特殊光刻膠。中游集聚了大量應(yīng)用場(chǎng)景，包括人工智能、智慧交通。下游當(dāng)然是C端，大規(guī)商用到企業(yè)用戶。

量子計(jì)算就像是山洞一樣，我們并不知道山洞里面是寶藏，還是其他。西方的一些發(fā)達(dá)國(guó)家都在涌進(jìn)去，中國(guó)沒有理由不進(jìn)去。量子計(jì)算到底長(zhǎng)什么樣，它是一個(gè)什么樣的形態(tài)，能不能做出來？我們堅(jiān)信量子計(jì)算未來一定能進(jìn)入人類的現(xiàn)實(shí)生活。

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