通用量子計(jì)算機(jī)一旦實(shí)現(xiàn)，將對(duì)通信安全、導(dǎo)航、成像以及人工智能、生物制藥、新材料研發(fā)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，帶來(lái)國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的極大變革。

當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算體系，并不能解決所有問(wèn)題。

量子計(jì)算將給現(xiàn)有的計(jì)算理論帶來(lái)深刻變革，將極大加深人類(lèi)對(duì)物質(zhì)與信息的理解；將是一種前所未有的計(jì)算微觀世界的強(qiáng)大工具。

這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的入口愈發(fā)擁擠，波士頓咨詢(xún)調(diào)查表明，美國(guó)、中國(guó)、歐盟、英國(guó)、荷蘭、日本、加拿大、澳大利亞；Google、IBM、微軟、巴斯夫、大眾、空客、QxBranch、QC Ware、1Qbit均是這一領(lǐng)域的玩家。

誰(shuí)掌握了量子計(jì)算機(jī)，誰(shuí)就可能引領(lǐng)下一次信息革命，將對(duì)科學(xué)研究的進(jìn)步以及建立于之上的商業(yè)社會(huì)產(chǎn)生巨大影響。

據(jù)科學(xué)家計(jì)算，如果未來(lái)一臺(tái)64位量子計(jì)算機(jī)的單次運(yùn)算速度，達(dá)到目前普通計(jì)算機(jī)CPU的級(jí)別（1GHz），那么這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度，理論上將是目前世界上最快的「太湖之光」超級(jí)計(jì)算機(jī)（每秒9.3億億次）的1500億倍。

量子計(jì)算機(jī)能做什么？

在化學(xué)及制藥領(lǐng)域，分子的模擬涉及求解數(shù)目眾多的電子和原子的量子行為，量子技術(shù)將對(duì)藥物發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生指數(shù)級(jí)的促進(jìn)作用。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，量子技術(shù)將使藥物發(fā)現(xiàn)率提高5%-10%，效率提高15%-20%。由于更優(yōu)的分子設(shè)計(jì)，藥物的送審?fù)ㄟ^(guò)率將提高1.5-2倍。

在人工智能領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)能夠更快地操控高維向量進(jìn)行大數(shù)據(jù)分類(lèi)，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比具有顯著的速度優(yōu)勢(shì)。

如今，汽車(chē)自動(dòng)駕駛、自然語(yǔ)言處理、搜索引擎、線上廣告、推薦系統(tǒng)等都是機(jī)器學(xué)習(xí)的熱門(mén)領(lǐng)域。因此量子計(jì)算的演變進(jìn)度將部分決定IT產(chǎn)業(yè)巨頭公司在未來(lái)的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

在社會(huì)公共領(lǐng)域，量子計(jì)算可以瞬間處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中全球60億人次的臉部圖片，并實(shí)時(shí)辨別出一個(gè)人的身份；能夠迅速對(duì)復(fù)雜的交通狀況進(jìn)行分析預(yù)判，從而調(diào)度綜合交通系統(tǒng)，最大限度避免道路擁堵。

在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，量子計(jì)算可能將對(duì)當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算體系下的公鑰加密系統(tǒng)構(gòu)成威脅。1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專(zhuān)家Peter Shor發(fā)現(xiàn)，使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)破解加密，可在理論上通過(guò)160天破解1024比特的RSA密鑰。而現(xiàn)在，世界范圍內(nèi)最快的超算——神威·太湖之光破解同樣長(zhǎng)度的RSA密鑰，則需要500萬(wàn)年。

盡管運(yùn)行Shor算法破解密碼需要有至少上百萬(wàn)個(gè)量子比特的通用、容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，在短時(shí)間內(nèi)并無(wú)法實(shí)現(xiàn)。但是，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)無(wú)法破解的“后量子時(shí)代加密技術(shù)”的研究也已經(jīng)有了不少成果，將對(duì)整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)安全造成重大影響。

誰(shuí)在投資或深度參與量子計(jì)算的研究？

2017年，美國(guó)國(guó)會(huì)舉辦聽(tīng)證會(huì)，討論如何確?！该绹?guó)在量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位」。

2018年，歐盟投入10億歐元實(shí)施「量子旗艦」計(jì)劃。英國(guó)在牛津大學(xué)等高校建立量子研究中心，投入約2.5億美元培養(yǎng)人才。荷蘭向代爾夫特理工大學(xué)投資1.4億美元研究量子計(jì)算。

日本計(jì)劃10年內(nèi)在量子計(jì)算領(lǐng)域投資3.6億美元。加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學(xué)的量子研究。澳大利亞政府、銀行等出資8300萬(wàn)澳元在新南威爾士大學(xué)成立量子計(jì)算公司。中國(guó)也積極投入到這場(chǎng)關(guān)乎未來(lái)的科技競(jìng)賽中。

在超導(dǎo)量子計(jì)算方面，中國(guó)的中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、Google量子人工智能實(shí)驗(yàn)室、IBM并稱(chēng)國(guó)際上最強(qiáng)的三家機(jī)構(gòu)。目前，Google處于最領(lǐng)先地位；IBM投入30億美元研發(fā)量子計(jì)算等下一代芯片，且與MIT合作進(jìn)行人工智能及量子計(jì)算相關(guān)的研究工作，已經(jīng)使用量子計(jì)算機(jī)上的可伸縮方法精確地模擬了迄今為止最大的分子——?dú)浠擝eH2。

此外，微軟也與多所大學(xué)共建量子實(shí)驗(yàn)室。德國(guó)化學(xué)公司巴斯夫、大眾、空客等企業(yè)也已經(jīng)開(kāi)始為構(gòu)建量子計(jì)算能力進(jìn)行投入。一些新興的軟件開(kāi)發(fā)及咨詢(xún)公司，如QxBranch、QC Ware和1Qbit也在研發(fā)量子應(yīng)用。

從論文產(chǎn)出、專(zhuān)利產(chǎn)出等角度看，中國(guó)與美國(guó)、歐盟和日本之間仍存在很大差距。例如，全球量子計(jì)算專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量排名前20的榜單，基本被美國(guó)和日本企業(yè)所占據(jù)，中國(guó)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)則無(wú)一上榜。（詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所已發(fā)表的公眾號(hào)文章：《2018全球量子計(jì)算領(lǐng)域研發(fā)概況》）

全球量子計(jì)算專(zhuān)利申請(qǐng)量排行（來(lái)源：國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

量子計(jì)算帶來(lái)的商業(yè)機(jī)會(huì)

波士頓咨詢(xún)預(yù)計(jì)，到2030年，量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到500億美金。

僅以美國(guó)制藥行業(yè)為例，若復(fù)雜的原子水平的量子模擬在此刻得以實(shí)現(xiàn)，且有10%的公司愿意為這一技術(shù)買(mǎi)單，那就意味著量子計(jì)算在這一領(lǐng)域擁有150-300億美元的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。與之相比，目前全球高性能計(jì)算市場(chǎng)的總和為100億美元（如下圖所示）。

量子計(jì)算在美國(guó)制藥行業(yè)的市場(chǎng)機(jī)會(huì)預(yù)測(cè)（來(lái)源：波士頓咨詢(xún)）

除制藥行業(yè)外，量子計(jì)算還能夠用來(lái)加速搜索任務(wù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法。在數(shù)據(jù)量指數(shù)增長(zhǎng)的今天，以及即將接入數(shù)百億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的未來(lái)，解鎖數(shù)據(jù)的商業(yè)價(jià)值變得越來(lái)越重要。

雖然GPU使得機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，但量子計(jì)算機(jī)可以顯著加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，科學(xué)家以及工程師們正在研發(fā)適用于機(jī)器學(xué)習(xí)的量子算法。隨著更多的量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法被構(gòu)建，量子計(jì)算機(jī)相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基本優(yōu)勢(shì)可能導(dǎo)致當(dāng)前200億美元的高性能機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算市場(chǎng)在2030年前被取代。

總的來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算所代表的市場(chǎng)總量巨大，但具體的時(shí)間節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)度而產(chǎn)生巨大的波動(dòng)（如下圖所示）。

量子計(jì)算市場(chǎng)爆發(fā)情況預(yù)測(cè)（來(lái)源：波士頓咨詢(xún)）

保守看來(lái)，到2035年，量子計(jì)算市場(chǎng)將達(dá)到20億美金體量。隨著采納率的提高，到2050年，市場(chǎng)規(guī)模將飆升至2600億美元。

若當(dāng)前桎梏量子計(jì)算發(fā)展的主要因素——物理量子位的錯(cuò)誤率——能夠顯著降低，那么我們可以大膽預(yù)計(jì)，到2035年，量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到600億美元，并在2050年增加到2950億美元。與之相比，當(dāng)今全球商業(yè)及消費(fèi)市場(chǎng)總規(guī)模為8000億美元。

量子計(jì)算究竟是什么？

所謂量子，是構(gòu)成物質(zhì)的各種物理量的最基本單元，不可分割。人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

早在20世紀(jì)50年代到70年代間，物理學(xué)家們就通過(guò)量子力學(xué)研究電子和光子的性質(zhì)以及在材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，陸續(xù)發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管、激光器、集成電路、磁盤(pán)、光纖等技術(shù)。

以此為基礎(chǔ)，20世紀(jì)80年代以來(lái)，個(gè)人電腦、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等陸續(xù)誕生，實(shí)現(xiàn)了第三次科技革命（又稱(chēng)為信息革命），將人類(lèi)文明徹底帶入了信息時(shí)代。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的誕生，給人類(lèi)帶來(lái)了更多的發(fā)展機(jī)會(huì)。然而，有些任務(wù)太復(fù)雜，運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能研究者都垂暮甚至死去了，一個(gè)研究卻還沒(méi)算出來(lái)，人類(lèi)顯然需要一種全新的高性能計(jì)算技術(shù)。

上世紀(jì)80年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·菲利普·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）等人產(chǎn)生了一個(gè)構(gòu)想，基于兩個(gè)奇特的量子特性——量子疊加和量子糾纏——構(gòu)建「量子計(jì)算」。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在二進(jìn)制算法中只能「非此即彼」：要么是0，要么是1。但量子計(jì)算機(jī)卻擁有一種強(qiáng)悍的能力——「同時(shí)存在」，即「量子疊加」。

一個(gè)量子比特（可以同時(shí)處于0和1的量子狀態(tài)）可以用圖中的布洛赫球（在量子力學(xué)中，布洛赫球面是二能級(jí)量子力學(xué)系統(tǒng)純態(tài)空間的一種幾何表示方法）來(lái)表示。相比于經(jīng)典比特（信息量的最小度量單位）只有0和1兩個(gè)點(diǎn)，量子比特的取值分布在整個(gè)球面上，即球面上任意一點(diǎn)都可以是某個(gè)量子比特的值。

（來(lái)源：瞭望智庫(kù)）

這也是為什么量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可以遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算究竟有多快？

目前我們常用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，在提取某個(gè)需要解決的問(wèn)題時(shí)，需要把所有可能性列舉并一一驗(yàn)證，才能「找到」正確的信息。就好像一個(gè)擁有雙手的人，一個(gè)時(shí)間段只能做一件事情。

而量子并行計(jì)算能夠直接計(jì)算并提取出相應(yīng)信息，相當(dāng)于一個(gè)「千手觀音」，可以同時(shí)做2的N次方雙手可以做的事情。

（來(lái)源：瞭望智庫(kù)）

比如，用橋梁將有若干個(gè)島嶼的群島連接起來(lái)，隨著島嶼數(shù)量的增加，可能的解決方案數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。假設(shè)這一問(wèn)題有一百萬(wàn)種解決方案，那么二進(jìn)制計(jì)算機(jī)需要五十萬(wàn)次計(jì)算才能找到正確方案，但運(yùn)行Grover演算法的量子計(jì)算機(jī)僅通過(guò)一千次嘗試便可解決這一問(wèn)題，是傳統(tǒng)計(jì)算方式的500倍。

波士頓咨詢(xún)針對(duì)一些計(jì)算負(fù)載遠(yuǎn)高于當(dāng)前計(jì)算能力的應(yīng)用進(jìn)行了研究。并將問(wèn)題分為三種類(lèi)別，分別繪制出量子方法與傳統(tǒng)方法所需的計(jì)算時(shí)間函數(shù)。（如下圖）

研究顯示，在制藥、化學(xué)、能源等行業(yè)，利用量子計(jì)算機(jī)對(duì)物理系統(tǒng)建模，能夠起到立竿見(jiàn)影的效果；在搜索、密碼學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)密集型領(lǐng)域，量子數(shù)學(xué)能夠?qū)λ惴铀?，從而解鎖巨大的商業(yè)價(jià)值。

針對(duì)三種類(lèi)型問(wèn)題量子方法與傳統(tǒng)方法的時(shí)間函數(shù)比較（來(lái)源：波士頓咨詢(xún)）

具有顯著速度優(yōu)勢(shì)的案例（對(duì)應(yīng)上圖最左坐標(biāo)系）

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用順序計(jì)算的方式，因此無(wú)力處理特別復(fù)雜的問(wèn)題。以「將大數(shù)拆解為素?cái)?shù)乘積」問(wèn)題為例，由于不存在已知的解決方案，計(jì)算機(jī)需要依靠試驗(yàn)與猜測(cè)求解。被拆解的大數(shù)越大，計(jì)算復(fù)雜度越高，所需時(shí)間呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。

量子計(jì)算則不同，其運(yùn)作方式是將所有的可能解同時(shí)拋出，并篩除掉不正確的解。因此，對(duì)于某些問(wèn)題，量子處理器的解決方案運(yùn)行時(shí)間隨著維數(shù)的增加呈線性增長(zhǎng)，而非指數(shù)增長(zhǎng)，從而擁有巨大的速度優(yōu)勢(shì)。

1994年，數(shù)學(xué)家Peter Williston Shor針對(duì)大數(shù)分解問(wèn)題研發(fā)了量子算法——Shor算法，使得這一問(wèn)題在可接受的計(jì)算時(shí)間內(nèi)得以解決。

速度優(yōu)勢(shì)意味著巨大的市場(chǎng)潛力。在醫(yī)藥及化學(xué)研發(fā)領(lǐng)域，模擬大分子之間的化學(xué)反應(yīng)一直是個(gè)惱人的問(wèn)題，其解決方案復(fù)雜性類(lèi)似于大數(shù)分解問(wèn)題。按照Richard Feynman的構(gòu)想，量子處理器能夠同時(shí)計(jì)算所有可能的化學(xué)反應(yīng)，并瞬間計(jì)算出反應(yīng)的最終態(tài)。

波士頓咨詢(xún)預(yù)計(jì)，到2030年，量子模擬技術(shù)將催生一個(gè)高達(dá)200億美元的藥品市場(chǎng)，以及70億美元的包括化學(xué)、材料科學(xué)及其他材料密集型產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的市場(chǎng)。

具有適度速度優(yōu)勢(shì)的案例（對(duì)應(yīng)上圖中間坐標(biāo)系）

對(duì)于過(guò)程中涉及到非結(jié)構(gòu)化搜索的任務(wù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的任務(wù)來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算相較于傳統(tǒng)計(jì)算方式具有一定程度的速度優(yōu)勢(shì)。

2008年，Aram Harrow、Avinatan Hassidim和Seth Lloyd提出HHL算法：在一系列前提假設(shè)下，量子計(jì)算機(jī)可以在對(duì)數(shù)復(fù)雜度內(nèi)求解一些特殊的線性方程組，這是很多擬合、推斷、優(yōu)化問(wèn)題的基礎(chǔ)。HHL的各種衍生算法與人工智能的結(jié)合，讓量子機(jī)器學(xué)習(xí)成為可能，也讓量子計(jì)算機(jī)第一次擁有了商業(yè)價(jià)值。

一些量子算法，例如能夠以很高的概率發(fā)現(xiàn)黑箱函數(shù)的唯一輸入的Grover演算法，完成非結(jié)構(gòu)化搜索任務(wù)所需的時(shí)間僅為傳統(tǒng)計(jì)算方式的平方根。如今，大規(guī)模搜索以及機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題多由GPU解決。波士頓咨詢(xún)預(yù)計(jì)，隨著量子計(jì)算方法取代GPU，非結(jié)構(gòu)化搜索及機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域?qū)⒈l(fā)出超200億美金的市場(chǎng)。

值得注意的是，一些量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法只需要有50到100個(gè)量子比特的小型量子計(jì)算機(jī)就能展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。自2011年始，尤其2014年之后，各大商業(yè)公司開(kāi)始紛紛關(guān)注量子計(jì)算。波士頓咨詢(xún)猜測(cè)，這也許是谷歌、IBM等巨頭對(duì)能夠優(yōu)化搜索的量子計(jì)算平臺(tái)感興趣的原因之一。

不確定是否具有速度優(yōu)勢(shì)的案例（對(duì)應(yīng)上圖最右坐標(biāo)系）

當(dāng)今的經(jīng)典計(jì)算方法已經(jīng)能夠充分解決涉及復(fù)雜操作以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?yōu)的問(wèn)題，比如運(yùn)輸及物流領(lǐng)域的路線優(yōu)化問(wèn)題。在這類(lèi)任務(wù)中，雖然量子計(jì)算方法有望突破傳統(tǒng)計(jì)算方式的速度閥值，但業(yè)內(nèi)普遍表示目前的計(jì)算方式已經(jīng)足夠。因此目前尚不清楚在這類(lèi)問(wèn)題中，量子計(jì)算能否釋放新的價(jià)值。

考慮到量子計(jì)算技術(shù)能夠以PaaS的形式輸出，因此在某些速度優(yōu)勢(shì)顯著的領(lǐng)域，有望看到五年內(nèi)大于70%的采納率，約等于GPU在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的采納速度。對(duì)于速度優(yōu)勢(shì)不明顯的領(lǐng)域，預(yù)計(jì)將在15年后達(dá)到50%的采納率，類(lèi)似SaaS服務(wù)的發(fā)展速度。至于速度優(yōu)勢(shì)未知的領(lǐng)域，15年后量子計(jì)算的采納率可能只有25%或更低。

量子計(jì)算有多遠(yuǎn)？

波士頓咨詢(xún)預(yù)計(jì)，未來(lái)25年，量子計(jì)算的成熟之路將經(jīng)歷三次浪潮。

第一次浪潮，2018-2028年。一些非通用的量子計(jì)算平臺(tái)將被研發(fā)出來(lái)，用于例如低復(fù)雜度的模擬等專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)。這些平臺(tái)會(huì)于近幾年迅速問(wèn)世，并將一直沿用至第二次浪潮。

第二次浪潮，2028-2039年。量子計(jì)算機(jī)將擴(kuò)展到50個(gè)邏輯量子位，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，即專(zhuān)用型量子計(jì)算機(jī)針對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。這一時(shí)期的量子計(jì)算將集中在大分子模擬、藥物研發(fā)、以及軟件開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域，可用的應(yīng)用程序?qū)⑦M(jìn)入市場(chǎng)，創(chuàng)造可觀的商業(yè)價(jià)值。與此同時(shí)，量子信息處理（Quantum Information Processing）將發(fā)展為一個(gè)單獨(dú)的領(lǐng)域，商業(yè)公司也將更加適應(yīng)量子模擬方法。

第三次浪潮，2031-2042年。此時(shí)，量子計(jì)算方式將在模擬、搜索以及優(yōu)化任務(wù)中全方位趕超傳統(tǒng)計(jì)算方法。由于半導(dǎo)體領(lǐng)域摩爾定律的放緩，以及某些特定應(yīng)用中量子計(jì)算趕超傳統(tǒng)計(jì)算的閥值較低，因此第二和第三次浪潮會(huì)有一段時(shí)間的重疊。按總體軌跡看來(lái)，量子計(jì)算將在未來(lái)十年穩(wěn)步發(fā)展，并在2030年左右迎來(lái)爆發(fā)。

量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展路線（來(lái)源：瞭望智庫(kù)）

2017年11月和2018年3月，IBM和Google分別宣稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了50個(gè)和72個(gè)量子位的原型機(jī)。然而IBM和Google都沒(méi)有宣布實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」，也沒(méi)有公開(kāi)相關(guān)測(cè)試結(jié)果，這意味著技術(shù)上離「量子霸權(quán)」還有一定的距離。

因?yàn)榱孔有酒峭ㄟ^(guò)半導(dǎo)體工藝進(jìn)行加工，量子位數(shù)目可以任意增加，但是僅有量子比特?cái)?shù)目的增加是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在技術(shù)上更加困難的是對(duì)多量子比特的相干控制能力。如果一個(gè)芯片對(duì)多量子比特的相干控制能力沒(méi)有獲得好的測(cè)試結(jié)果，那么這個(gè)芯片就沒(méi)有科學(xué)或?qū)嵱脙r(jià)值。

與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)論文不同，IBM和Google發(fā)布這類(lèi)新聞不需要經(jīng)過(guò)任何測(cè)試和同行評(píng)議，很大程度上是出于商業(yè)目的。而目前經(jīng)過(guò)嚴(yán)格同行評(píng)議并正式在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊公開(kāi)發(fā)表的最高質(zhì)量測(cè)試結(jié)果是Google的9量子位超導(dǎo)芯片和我國(guó)的10量子位超導(dǎo)芯片。

如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算？

量子計(jì)算機(jī)的成敗有兩個(gè)指標(biāo)：量子退相干時(shí)間，以及可擴(kuò)展性。

「退相干」指的是量子相干態(tài)（指量子力學(xué)中量子諧振子能夠達(dá)到的一種特殊的量子狀態(tài)）與環(huán)境作用演化到經(jīng)典狀態(tài)的時(shí)間。量子計(jì)算必需在量子疊加態(tài)上進(jìn)行，因此量子計(jì)算機(jī)的退相干時(shí)間越長(zhǎng)越好。

「可擴(kuò)展性」指的是系統(tǒng)上可以增加更多的量子比特，從而才能走向?qū)嵱没孔佑?jì)算機(jī)。和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)單增加比特不同，量子計(jì)算機(jī)需要把量子比特糾纏起來(lái)，因此難度是指數(shù)級(jí)的，每增加一個(gè)比特，難度就要翻番。

不同物理系統(tǒng)做量子計(jì)算參數(shù)比較（來(lái)源：瞭望智庫(kù)）

從這兩個(gè)指標(biāo)出發(fā)，世界各地相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家從不同的方向朝著同一目標(biāo)努力——實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)。目前，鹿死誰(shuí)手還未可知。

離子阱方案：這是針對(duì)量子計(jì)算機(jī)提出的最早的方案，技術(shù)上較為成熟，但可擴(kuò)展性有限，限制了它向?qū)嵱没孔佑?jì)算機(jī)的發(fā)展。這一方向上奧地利因斯布魯克大學(xué)和美國(guó)科羅拉多大學(xué)世界領(lǐng)先。

光量子方案：利用單光子做量子比特，通過(guò)復(fù)雜光路系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。如果光子不被吸收和散射，它的相干性就能一直保持。利用現(xiàn)有的光學(xué)元件，光量子的退相干時(shí)間可達(dá)足夠長(zhǎng)，其可擴(kuò)展性受光子線寬和集成光路等技術(shù)的限制。在此方向，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊(duì)世界領(lǐng)先。

核磁共振方案：有著出色的退相干時(shí)間，但單個(gè)分子的大小完全限制其可擴(kuò)展性。在此方向上探索量子計(jì)算機(jī)的努力已經(jīng)基本陷入停滯。

超導(dǎo)電路方案：這種方案雖然退相干時(shí)間短，但其可擴(kuò)展性一枝獨(dú)秀。IBM、Google等信息巨頭們正大力投入這一方向。Google投資了加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）的Martinis團(tuán)隊(duì)，成立了Google-UCSB聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室；阿里巴巴集團(tuán)投資了潘建偉院士團(tuán)隊(duì)，在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院成立了中科院—阿里巴巴量子計(jì)算聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，把超導(dǎo)方案作為重心來(lái)支持。

金剛石方案：利用金剛石中的色心缺陷做量子比特，其退相干時(shí)間和可擴(kuò)展性受到樣品本身的限制。這一方向中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士團(tuán)隊(duì)世界領(lǐng)先。

超冷原子方案：與離子阱方案比較相似，可擴(kuò)展性有限，目前更多的是用來(lái)做凝聚態(tài)系統(tǒng)的量子模擬。這一領(lǐng)域世界領(lǐng)先的是德國(guó)馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)所（MPQ），美國(guó)JILA實(shí)驗(yàn)室，哈佛-麻省理工聯(lián)合冷原子中心等。

除此之外，還有一些其它物理系統(tǒng)，比如「拓?fù)淞孔佑?jì)算」等。但它們?cè)诳蓴U(kuò)展性方面無(wú)法與超導(dǎo)電路相比。因此物理學(xué)家和IT巨頭們大多把未來(lái)通用量子計(jì)算機(jī)的期望寄托在超導(dǎo)電路系統(tǒng)上。

實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)：從實(shí)際工程的角度看，運(yùn)行環(huán)境是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要制約因素。量子電路只有在非常低的溫度下（接近絕對(duì)零度）才能發(fā)揮最好的效果。量子態(tài)極不穩(wěn)定，任何外界的干擾都會(huì)使錯(cuò)誤率增加，這也是為什么量子計(jì)算機(jī)需要集中在寒冷的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行。對(duì)于手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備，量子計(jì)算技術(shù)暫時(shí)還派不上用場(chǎng)。

此外，連貫性及錯(cuò)誤率都是量子計(jì)算機(jī)非常重要的指標(biāo)。按當(dāng)前技術(shù)水平，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模增大到足以進(jìn)行實(shí)際模擬任務(wù)時(shí)，用來(lái)容錯(cuò)的物理量子位與實(shí)際發(fā)揮作用的邏輯量子位之比將高達(dá)3000:1。

如何抓住量子計(jì)算機(jī)遇？

盡管還未實(shí)現(xiàn)，但主流觀點(diǎn)認(rèn)為，「量子霸權(quán)」時(shí)代必然會(huì)到來(lái)，這是一場(chǎng)誰(shuí)都輸不起的競(jìng)爭(zhēng)。畢竟一旦量子計(jì)算技術(shù)突破，掌握這種能力的國(guó)家，在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域?qū)⒀杆俳⑷轿粌?yōu)勢(shì)。

距離量子計(jì)算完全發(fā)揮潛力還需十年左右的時(shí)間，但商業(yè)公司應(yīng)該從現(xiàn)在就開(kāi)始行動(dòng)，時(shí)刻監(jiān)控量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，一旦在某一領(lǐng)域量子霸權(quán)得以實(shí)現(xiàn)，公司即可迅速采用。

為了更早地讓量子計(jì)算機(jī)展現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)，物理學(xué)家們想到了針對(duì)一些特殊的問(wèn)題，可以用專(zhuān)用型量子計(jì)算機(jī)來(lái)解決。這些專(zhuān)用型量子計(jì)算機(jī)可以不需要邏輯門(mén)（操作一個(gè)小數(shù)量量子位元的量子線路），只靠自身系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)通過(guò)模擬的方式針對(duì)性地解決問(wèn)題。

目前，專(zhuān)用型量子計(jì)算機(jī)在解決一些問(wèn)題上已經(jīng)顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，如加拿大的D-Wave公司研制了一款用絕熱量子算法尋找基態(tài)（極小值）的專(zhuān)用型量子計(jì)算機(jī)；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（中科院-阿里巴巴實(shí)驗(yàn)室）的光量子計(jì)算機(jī)用5個(gè)光量子模擬了玻色子采樣問(wèn)題，在這個(gè)問(wèn)題上的它的計(jì)算速度已經(jīng)超越了早期的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，即歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）。

IBM和微軟均在構(gòu)建量子計(jì)算社區(qū)、量子計(jì)算模擬器，以及易于使用的工具，這些工具能夠使開(kāi)發(fā)者獲得量子計(jì)算的能力。一旦量子算法、對(duì)應(yīng)的編程語(yǔ)言、量子云服務(wù)走向成熟，開(kāi)發(fā)者便可逐步將它們納入自己的解決方案中。

制藥公司和其他依賴(lài)材料科學(xué)創(chuàng)新的公司開(kāi)始探索使用量子處理器進(jìn)行分子模擬。波士頓咨詢(xún)預(yù)計(jì)，近幾年，一些化學(xué)公司將利用現(xiàn)有的有限的量子計(jì)算能力進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的大分子建模及優(yōu)化。

涉及到搜索、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化算法的公司，鼓勵(lì)其數(shù)據(jù)科學(xué)家研究如何使用量子處理器加速其計(jì)算能力。與其他先進(jìn)技術(shù)一樣，在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，那些能夠早日利用量子計(jì)算技術(shù)的公司將會(huì)建立顯著壁壘。

此外，盡管要達(dá)到破解加密技術(shù)的能力需要超1000個(gè)量子比特的計(jì)算資源，但據(jù)波士頓咨詢(xún)預(yù)測(cè)，到2040年，當(dāng)前的加密技術(shù)將不再適用。因此，商業(yè)公司應(yīng)該關(guān)注新的加密方式，以便隨時(shí)擺脫對(duì)整數(shù)分解加密方法的依賴(lài)。

盡管還處于相對(duì)早期階段，量子計(jì)算正迅速?gòu)膶?shí)驗(yàn)室走向商用。未來(lái)十年，量子計(jì)算將有可能為企業(yè)釋放巨大價(jià)值。企業(yè)管理者需要從現(xiàn)在開(kāi)始關(guān)注量子計(jì)算的研發(fā)進(jìn)程，并關(guān)注量子霸權(quán)可能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，那些想要應(yīng)用量子技術(shù)的公司更是需要從現(xiàn)在開(kāi)始建立能力。