研制量子計算機邁出的第一步是在大學(xué)黑板上進行的大量深奧的數(shù)學(xué)運算。據(jù)粗略統(tǒng)計，包括美國、英國、中國和德國在內(nèi)的各國政府合計已投入數(shù)十億美元以推進量子研究。如今這項已經(jīng)發(fā)展幾十年的技術(shù)終于成為了一個商業(yè)命題。

2020年是后“量子霸權(quán)”（或稱“量子優(yōu)越性”）元年，世界對量子計算的投入持續(xù)上漲，技術(shù)和生態(tài)蓬勃發(fā)展，多個平臺異彩繽紛。2020年12月，中國的76個光子的量子計算原型機“九章”的問世，讓中國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

在這一浪潮將在2021年繼續(xù)推高社會的關(guān)注和期待，但接下去量子計算的研究需要證明自身的使用價值。

那么量子計算到底有哪些“非凡”之處？量子計算能不能成為IC產(chǎn)業(yè)革命性的重要力量？相關(guān)的研究和應(yīng)用處于怎樣的階段？日前獨家連線專訪了耶魯大學(xué)應(yīng)用物理教授Steven Girvin。Steven Girvin研究量子力學(xué)多年，2020年開始任美國布魯克黑文國家實驗室C2QA量子優(yōu)勢聯(lián)合設(shè)計中心負責(zé)人，布魯克黑文是今年美國國家科學(xué)基金會和能源部撥款資助的五個量子研究院之一。

量子計算VS傳統(tǒng)計算

所謂量子計算，簡單來說，就是依據(jù)量子物理定律來處理信息的新型計算方式。Girvin指出，量子物理始于一個世紀以前，發(fā)展成熟但一直變化不大。直到近幾十年來，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界才逐步意識到量子技術(shù)有尚未被發(fā)掘的強大力量。

Girvin進一步解釋，普通的電腦使用二進制數(shù)，0和1是基本算符，每個數(shù)字稱為一個位元（二進制位，或稱比特）。但了解了量子力學(xué)和不確定性原理之后，就會發(fā)現(xiàn)量子系統(tǒng)的單位能夠處在不確定狀態(tài)中?！岸@一發(fā)現(xiàn)的真正意義在于，（利用量子力學(xué)的特性）可以使電腦它真正的意義是電腦能同時進行多線運算，即能同時考慮到位元是0和位元是1時的兩種情況。而當(dāng)這一能力延申到多個位元上，也就是量子位元，計算機能同時做的事就會呈指數(shù)增長，如此就能做到現(xiàn)有的傳統(tǒng)電腦不可能完成的某些計算任務(wù)?！盙irvin指出。

簡而言之，利用量子力學(xué)的反直覺特性，可以大幅加速某些類型的計算。這讓量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面（如機器學(xué)習(xí)，密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物分析等）相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

“當(dāng)問題越來越復(fù)雜，數(shù)據(jù)庫越來越大，或者變量越來越多時，在傳統(tǒng)電腦上執(zhí)行這種計算的難度系數(shù)就會指數(shù)增長，難以執(zhí)行。而這種難度在量子計算機上增長得會慢一些?！盙irvin指出量子計算的長遠潛能。

以機器學(xué)習(xí)為例，關(guān)于機器學(xué)習(xí)的一種思考方式是將其視作優(yōu)化問題，即計算機試圖在數(shù)百萬個變量之間折中取舍，以求出誤差盡可能小的解。而量子計算機則有望大大提高計算速度，從而在優(yōu)化問題中的表現(xiàn)遠勝過普通電腦。

“量子計算機還處于普通電腦1940年的階段”

那么目前學(xué)術(shù)方面量子計算的研究到哪一步了呢？對此，Girvin的結(jié)論是，盡管領(lǐng)域每天都會有很多進展，以求做出更大更有用的量子計算機，但是技術(shù)上還沒有準備好，“我們?nèi)蕴幱诘诙瘟孔痈锩某跫夒A段?！?/p>

Girvin說，目前人類在量子世界中的研究進展相當(dāng)于“剛剛做出了真空管，或者剛剛發(fā)明算盤、晶體管這樣的階段”。

“這個階段相當(dāng)于普通電腦在1940年的時候，非常初級，非常簡單，只有少量的量子位元?！盙irvin指出，目前的量子計算機雖然已經(jīng)有一些應(yīng)用，人們已經(jīng)能從網(wǎng)上接入量子計算機，在上面簡單地編碼實驗，但總體上仍處于研究階段，還談不上有經(jīng)濟價值。

而對于量子計算的能力，全球的研究也尚處于很初級的階段。Girvin指出，過去二十年來，一個巨大的進步是量子位元保留信息的時間增長了一百萬倍。

“二十年前，第一批量子位元面世時，幾乎無法儲存信息，大概只能記住一納秒?，F(xiàn)在的技術(shù)能保留信息一毫秒了。”Girvin稱，這是一個了不得的進步，也是做出更復(fù)雜電路的前提。

他進一步解釋，事實上，量子位元能同時處于0和1的疊加狀態(tài)這一特性，既是優(yōu)點也是缺點。缺點是這種疊加狀態(tài)對外界環(huán)境的噪音、攝動和干擾極度敏感，因此需要設(shè)計更穩(wěn)定的量子位元，要能更長時間地保持量子狀態(tài)才能做出更復(fù)雜的電路，才能在運行大型算法時保持量子計算的優(yōu)勢。Girvin介紹，這也是為什么目前在他所在的量子研究院，主要在研究超導(dǎo)量子位元和超導(dǎo)微波電路的重要原因。

Girvin指出，當(dāng)前研究的最大挑戰(zhàn)之一就是量子糾錯，或者設(shè)計容錯率高的電路，這其中的關(guān)鍵是需要大量量子位元，因為盡管每一個位元都是不完美的，但是整個集合能完成近乎完美的運算?！袄碚撋线@是可以完成的，但我們?nèi)蕴幵谔剿鞯某跫夒A段，在練習(xí)，在實驗?！?/p>

此外，基于量子計算的算法和全新編程方式的空白，是另一大研究挑戰(zhàn)。Girvin說，這就像1940年在初代電腦上用真空管進行編程時，有大量的電線要插到配線架上，有很多部分需要連接起來，其過程繁瑣冗雜，當(dāng)時的程序員都飽受硬件編程之苦。直到數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾伊曼和他的合作者們發(fā)明了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)——一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。Girvin認為，目前在量子計算的研究上，也正在經(jīng)歷著這方面的同比，并進入一個尋求優(yōu)化方案的時代。

各國的量子角逐賽

盡管關(guān)于量子計算的研究尚有諸多挑戰(zhàn)，但研制量子計算機已成為世界各個大國角逐的焦點。

為什么量子計算領(lǐng)域的競爭這么重要？對此，Girvin認為，量子技術(shù)將給各國經(jīng)濟和國家安全方面帶來重要影響力，盡管具體潛力還不清楚，但很有可能是“如同第三次工業(yè)革命一般的變化”。

在量子計算未來可能的重要應(yīng)用中，IC設(shè)計領(lǐng)域可望得到受益。Girvin指出，芯片設(shè)計上有大量優(yōu)化步驟，需要在芯片上定位處理器的不同部分，在這其中繞線連接，還有成千上萬的約束元件，線路不能太多太長等，這一切都必須依賴計算機來計算。

另外，很重要的一點，量子計算也被眾多科學(xué)家們視作突破當(dāng)前已經(jīng)趨于枯竭的摩爾定律的一項新希望。

由人工智能等一系列前沿應(yīng)用引發(fā)的對計算能力的需求不斷激增，這讓摩爾定律和馮諾依曼架構(gòu)的瓶頸日益凸顯。在過去50年里，傳統(tǒng)數(shù)字計算機的性能按照摩爾定律一路提升——集成電路（微芯片）的容量大約每18-24個月翻一番。如今，數(shù)字計算機性能的發(fā)展速度似乎正在放慢，馮諾依曼計算架構(gòu)不斷抵近極限，即內(nèi)存的讀取速度和芯片的處理速度漸漸難以實現(xiàn)同步。所以尋找新的替代方案變得尤為重要。

Girvin介紹，每個國家關(guān)注的量子計算領(lǐng)域也有所不同，不過主要集中在量子信息處理（或者量子計算）、量子溝通以及量子傳感三個領(lǐng)域，而三個領(lǐng)域又是緊密相連的。除了已經(jīng)談?wù)擃H多的量子計算外，量子溝通研究在量子力學(xué)范圍內(nèi)最大限度地精確測量微小信號；量子傳感可用于探測微小的無線電信號，射電天文學(xué)者或工程師用來探測微小磁場，藥物研發(fā)、基礎(chǔ)科學(xué)和工程中也有很多應(yīng)用。

“每個國家都會對這三個領(lǐng)域有所涉獵，只是投資水平不同。近年來中國在量子溝通上下了很多功夫，量子計算也是。”Girvin說。

前不久問世的中國的76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。標(biāo)志著中國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”（國外也稱之為“量子霸權(quán)”）的國家。

此外，歐洲也在量子溝通上大量投入，包括超導(dǎo)量子位元和冷原子。美國正在開始研究量子溝通，關(guān)注的也是超導(dǎo)量子位元和量子溝通。Girvin領(lǐng)導(dǎo)的其中一個美國國家量子研究院，更多地關(guān)注短距離溝通，將模組和電腦群連接在一起。

Girvin解釋，量子計算有很多平臺，包括超導(dǎo)量子位元、光學(xué)、原子等等，所有能用于承載量子信息的物理對象都能成為平臺。另外也有其他的研究中心專注于量子材料的研究。

何時實現(xiàn)商業(yè)化價值？

近期，風(fēng)險資本開始流入圍繞量子計算的公司。投資者開始在這項常處于初期的技術(shù)上大膽下注，他們認為，即使目前量子計算機尚規(guī)模有限、易出錯、不穩(wěn)定，也可能被證明具備商業(yè)用途。

不過，Girvin提醒，現(xiàn)在要說量子計算機能有效解決什么問題還為時過早。他指出，學(xué)術(shù)領(lǐng)域和在資本領(lǐng)域?qū)Υ苏f法略有不同，“資本或許會夸大量子的可能性，而我們并不知道這些承諾是否能兌現(xiàn)?？偠灾?，大型量子計算機能夠解決很多有趣的難題，但并不是所有問題。有些問題還是需要啟發(fā)性實驗設(shè)計，尋求可用但或許并不完美的解決方案?！盙irvin對量子技術(shù)的發(fā)展階段保持懷疑態(tài)度，但他表示即便當(dāng)前量子計算仍處于早期發(fā)展階段，他對此的前景也很樂觀。

“從晶體管的發(fā)明開始，人類用了50年時間才發(fā)展到現(xiàn)在的超級電腦。所以量子計算機的大規(guī)模生產(chǎn)使用也可能要50年?！盙irvin指出，不過鑒于現(xiàn)在很多人對這個領(lǐng)域的發(fā)展傾注精力，他認為十年左右有望看到量子計算的重大突破，甚至看到具有經(jīng)濟價值的量子計算機，而大概五年之后，能做出容納更多量子位元、儲存時間更長的量子計算機來進行更復(fù)雜的運算，解決科學(xué)上的難題。

但Girvin同時強調(diào)，未來往往是不可預(yù)測的。一般來說研發(fā)新技術(shù)新工程時總會高估短期成果，而低估其長期可能帶來的顛覆影響，因而Girvin認為，當(dāng)前我們還不知道量子力學(xué)的全部應(yīng)用，正如發(fā)明晶體管的人也不知道它會被用來播放音樂，不知道激光會被用來傳輸音樂。“這些技術(shù)和器件最終真正的使用方式會令其研發(fā)者大吃一驚。”量子計算機在未來將帶來的驚喜也同樣如此。

結(jié)語：

盡管那些“跑最后幾公里的人”往往備受矚目——他們把新興技術(shù)拿來，試圖創(chuàng)立長久有利可圖的業(yè)務(wù)。但應(yīng)當(dāng)記住的是，量子計算走到今天，有賴于成千上萬數(shù)學(xué)家、實驗物理學(xué)家和工程師的努力。而這種進步和創(chuàng)新也絕非是單一技術(shù)的突破，事實上，量子計算的進步倚賴的是激光刀低溫學(xué)等其他幾十個領(lǐng)域的進步。而如若我們想要看到更多這類的成功，就應(yīng)當(dāng)記住，大量沒那么光鮮的工作必須有人去身先士卒。
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