作者 | 太浪 責編 | 張文

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

日前，量子計算入選達摩院 2021 十大科技趨勢，較早時間發布的 MIT2020 年“十大突破性技術”榜單中也有它的身影。

當世界主要國家紛紛搶先布局量子計算并有初成時，它在中國也終于有了匹配其重要性的關注度。

2020 年 10 月，最高決策層集體學習量子計算，引發廣泛關注。

習近平總書記強調，要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。

中國在芯片領域長期被“卡脖子”，量子計算帶來了彎道超車的曙光。

2020 年 12 月，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功研制出 76 個光子 100 個模式的量子計算原型機“九章”，這也是中國首次實現“量子計算優越性”。

同月，阿里巴巴達摩院量子實驗室團隊發布阿里云量子開發平臺 ACQDP，并開源其量子電路模擬器“太章 2.0”。他們將谷歌提出“量子霸權”時設計的經典計算任務從超一萬年壓縮至 20 天內完成，若硬件資源進一步優化，最短可壓縮到 2 天以內。

作為“未來 100 年內最重要的計算機技術”、“第四次工業革命的引擎”，量子計算目前還沒有絕對的贏家，中國躬身入局正逢其時。

為什么大家都在搞量子計算？

人類歷史上發生了三次工業革命，第一次是蒸汽時代，第二次是電氣時代，第三次是信息時代。以計算機為主的第三次工業革命，目前正在進一步進化為以互聯網、大數據和人工智能為開端的第四次工業革命。

在第三次和第四次工業革命中，計算機起著重要的主導作用。芯片，作為計算機的“大腦”，自誕生第一天起，人類就再也離不開它了。

但隨著社會經濟對信息處理需求的不斷提高，以半導體大規模集成電路為基礎的經典計算性能提升或將面臨瓶頸。

上世紀八十年代，英特爾聯合創始人戈登·摩爾提出的“摩爾定律”定義了芯片行業的發展規律：集成電路上可集成的硅晶體管數量每 18 個月會增加一倍，計算能力翻一番。

但隨著摩爾定律的發展，尺寸等導致的量子效應越來越明顯，芯片發熱問題和功耗問題越來越嚴重。

一是巨大的能耗，芯片有被燒壞的危險；二是為了提高集成度，晶體管越做越小，當小到只有一個電子時，“量子效應”就會出現——即當晶體管越做越小時，就會出現“量子隧穿”（電子直接通過晶體管），導致晶體管出現“漏電”問題。芯片一旦漏電，自然無法正常使用。

業界認為，當芯片制程達到 10nm（一說 7nm），摩爾定律就會失效。

科學家們想方設法改善晶體管結構、研發新的半導體材料，盡可能地為摩爾定律“續命”，目前，有些芯片大廠們正向著 2nm 芯片制程進發。但這一切都只不過是在延緩“那一天”的到來。

另一方面，為摩爾定律續命的代價可不低。

曾有業內人士指出，“摩爾定律的終結不是技術問題，而是經濟問題。

”組成晶體管的元件體積每縮小一半，芯片制造廠商就需要購入全新的機器，而建立一條全新的生產線往往需要幾十億美元，這個成本僅有少數幾家廠商可以承受。“一旦下一代的晶體管成本超過現有的成本，產品更新就會停止。”

是否有辦法一勞永逸、從根本上解決摩爾定律失效的問題？

有些科學家嘗試回歸量子力學的本質，尋找解決方案。因為，半導體是量子力學的產物，芯片是在科學家們認識電子的量子特性后研發而成的。

在微觀狀態下，量子是一個不可再分割的基本單位。人們所熟知的電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現形態。研究量子的科學，叫量子力學。

1982 年，美國著名物理物學家理查德·費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系實現通用計算的新奇想法。緊接著，1985 年，英國物理學家大衛·杜斯提出“量子圖靈機”概念模型。從此，量子計算機的研究便在學術界逐漸引起關注。

直接應用量子力學現象對數據進行操作的計算系統就是量子計算。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就屬于量子計算機。

理論上，自然界中一切有量子效應的載體都可以用作量子比特。但是經過科學家的長期摸索，發現超導、離子阱、光子、超冷原子、半導體量子點等存在量子效應，能夠用于開發量子計算機。

經典計算機的運行原理是利用二進制進行邏輯運算，每個比特要么是 0 要么是 1，并不存在其他可能性。

量子計算機依賴出現在自然界的量子力學現象——基本上是物質的兩種重要狀態：疊加、糾纏。

所謂“量子疊加”是指：量子計算機的基本計算單元——量子比特，既可能是 0 也可能是 1，狀態并不確定，只能用概率表示。

所謂“量子糾纏”是指，在糾纏狀態中，成對或成組的量子粒子連接起來，那樣，每個粒子就無法獨立于其他粒子加以描述，即便粒子之間隔著很遠的距離（例如宇宙的兩端）。

正是因為“量子疊加”和“量子糾纏”，使得量子計算機可以同時處理大量計算任務，而且速度比傳統計算機快得多。

每增加一個量子比特，運算性能就會翻一倍。如果量子計算機有 N 個量子比特，就可以一次對 2 的 N 次方個數進行數學運算，相當于傳統計算機算 2 的 N 次方次，計算能力成指數級增長。量子計算機有望在生物醫學、通信和計算等多領域“大展拳腳”。

隨著人類進入數字時代，計算能力就成了最重要的能力。

故，誰率先掌握了“量子計算機”，誰也先在排位賽上占據一席之地。

然而，基于不同物理載體實現的量子計算機各有優劣。

要在量子計算機中實現高效率的并行運算，就要用到量子相干性——量子比特的持續時間。

因為在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相干性的衰減，即量子比特的持續時間變短。

在不同物理系統中，光子相干時間較長，但難以觀測和控制；超導環易于控制，但相干時間極短；離子阱雖然相干時間較長且易于控制，但由于需要頻繁的激光操作，因此效率不高。

當前沒人知道哪個物理載體會成為“量子晶體管”。因此，整個行業處于多路徑探索期。

毫無疑問，量子計算的強大顛覆性將改變整個產業格局。一些有深厚技術積累、財力雄厚的公司先行“起跑”。

谷歌和 IBM 致力于研發超導體系的量子計算機；Intel 同時涉獵硅半導體和超導體系量子計算機；微軟布局全新的拓撲路線量子計算機；霍尼韋爾則相中了離子阱量子計算機。

中科院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦說，“量子計算技術是顛覆性技術，關系到未來發展的基礎計算能力。誰先把量子計算機搞出來，誰就占據了量子信息時代的制高點。”

業界普遍認為，量子計算機會經歷三個發展階段：

第一階段，研制 50 個到 100 個量子比特的專用量子計算機，實現“量子優越性”里程碑式突破。

第二階段，研制可操縱數百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學、新材料設計、優化算法等。

第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算機。

谷歌于 2019 年 10 月率先宣稱實現“量子霸權”，其自研的 53 個量子比特的超導量子芯片 Sycamore（懸鈴木）耗時近 20 秒就實現了一個量子電路的采樣實例，同樣的實例在當今最快的經典超級計算機上可能需要運行大約 1 萬年。

IBM 最早對谷歌的說法提出了質疑，稱谷歌的量子計算機最多能使速度提高一千倍。

阿里巴巴緊隨其后。

2020 年 5 月，達摩院量子實驗室用量子電路模擬器“太章 2.0”模擬了 2019 年“谷歌量子霸權”宣稱用的量子電路，將其設計的經典計算耗時超一萬年的任務，壓縮至 20 天內完成，比其它最好的方案改進了四個數量級。

業界人士估計，若通過硬件資源的進一步優化，特別是提升 GPU 使用效率，該算法有望將模擬時間壓縮到 2 天以內。這一系列工作引起學術界對量子計算與經典計算邊界的重新思考。

芯片研制“燒腦”又“燒錢”。量子計算機同樣如此。

谷歌在過去 10 年里僅“懸鈴木”就大約投資了 10 億美元。IBM 為研制量子計算機，也已經投入數億美元。

據悉，此次“九章”在“高斯玻色取樣”這個問題上實現“量子計算優越性”的實驗，直接投入設備和材料費大約為 3000 萬人民幣，還未計入一些合作單位專用設備和超算驗算的費用。為了核驗“九章”算得“準不準”，他們用超算“神威·太湖之光”進行了 30 到 40 個光子的全部驗算，電費就高達 40 萬美元。

“九章”光量子干涉實物圖

顯然，除了財力雄厚的巨頭們，量子計算機這種基礎研究還是得靠國家出臺政策扶持。

美國是最早將量子信息技術列為國防與安全研發計劃的國家。

早在 2002 年，美國防部高級研究計劃局（DARPA）就制定了《量子信息科學與技術規劃》。2018 年 6 月，美國通過《國家量子倡議法案》，計劃在 10 年內撥給能源部、國家標準與技術研究所和國家科學基金 12.75 億美元，全力推動量子科學發展。

日本文部科學省 2013 年成立量子信息和通信研究促進會以及量子科學技術研究開發機構，計劃未來十年內投資 400 億日元，支持量子通信和量子信息領域的研發。

歐盟啟動“量子宣言”旗艦計劃，計劃 10 年內投入 10 億歐元。英國設立“國家量子技術計劃”，投資 2.7 億英鎊，開展相關學術與應用研究。德國發布“聯邦量子技術計劃”，一期投入 6.5 億歐元；在新冠肺炎疫情后的經濟刺激計劃中，特設“量子專項”，再投入 20 億歐元，目標是在 2021 年之前建造一臺實驗性量子計算機。

澳大利亞政府成立硅基半導體量子芯片實驗室，搶占半導體量子芯片發展的制高點。

俄羅斯也不甘示弱。2019 年 12 月，俄羅斯副總理馬克西姆·阿基莫夫提出國家量子行動計劃，擬 5 年內投資約 7.9 億美元，打造一臺實用的量子計算機，并希望在實用量子技術領域趕上其他國家。

中國錯失了前兩次工業革命，雖搭上了第三次工業革命的車，但在芯片等技術方面仍被“卡脖子”。量子計算技術不能再受制于人。

此前，中國科技部和中科院通過自然科學基金、“863”計劃、“973”計劃、國家重點研發計劃和戰略先導專項等多項科技項目，對量子信息基礎科研應用探索進行支持。近期發布的中央十四五規劃建議中也提到，瞄準人工智能、量子信息等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目，以此強化國家戰略科技力量。

戰火在燃，各支“國家隊”都在摩拳擦掌。

目前，美國進度最快，中國緊隨其后。

谷歌早在 2006 年就創立了量子計算項目。2020 年 8 月，谷歌在量子計算機上模擬了迄今最大規模的化學反應，通過使用量子設備對分子電子能量進行 Hartree-Fock 計算，并通過變分量子本征求解來進行糾錯處理完善其性能，進而實現對化學過程進行準確的計算預測。這說明，谷歌已經進入研制量子計算機的第二階段。

2015 年，IBM 就在《自然通訊》上發表了使用超導材料制成的量子芯片原型電路。2020 年 8 月，實現了 64 位量子體積的量子計算機，量子體積是 IBM 提出的用于測量量子計算機的強大程度的一個性能指標。9 月，IBM 發布了一份野心勃勃的路線圖——在 2023 年年底，IBM 可以構建出 1000 量子比特的量子硬件。

Intel 一直在研究多種量子位類型，包括超導量子位、硅自旋量子位等。2018年，成功設計、制造和交付 49 量子比特的超導量子計算測試芯片 Tangle Lake，算力等于 5000 顆 8 代 i7，并且允許研究人員評估改善誤差修正技術和模擬計算問題。Intel 也宣稱在 300mm 硅晶片上打造了 1 量子比特的自旋芯片。

微軟推出了量子計算云平臺 Azure Quantum，其中包括量子解決方案，量子軟件和量子硬件，微軟并擁有量子編程語言 Q#、開源的量子開發工具包等。

AWS 在 2019 年上線量子計算云平臺 Braket，推出量子計算云服務，這項服務目前更像是一個“平臺/集市”，其向開發者、企業提供的是第三方量子計算公司的產品。同年，AWS 成立了量子計算中心和亞馬遜量子解決方案實驗室。

“中國隊”除了中科院、中科大等科研院校，還包括 BAT 和華為等科技公司。

2015 年，中科院與阿里建立聯合實驗室，共同在量子信息科學領域開展前瞻性研究，這是國內較早在量子計算上的布局。

2017 年 5 月，中國科學技術大學、中國科學院－阿里巴巴量子計算實驗室、浙江大學、中國科學院物理所等協同研發出“光量子計算機”，這是世界上第一臺超越早期經典計算機的“光量子計算機”，在當時引起轟動。

2019 年，浙江大學與中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等國內單位合作開發出具有 20 個超導量子比特的量子芯片。

華為、百度、騰訊雖已組建量子計算團隊，但未有研發量子硬件的消息傳出。

華為在 2018 年推出量子計算模擬器 HiQ 云服務平臺，包括量子計算模擬器與基于模擬器開發的量子編程框架。

百度發布了云上量子脈沖系統“量脈”、量子計算開發工具“量槳”、量子計算平臺“量易伏”等產品。

騰訊正在量子 AI、藥物研發和科學計算平臺（SimHub）等應用領域開展相關研究。

業界觀察到，只有阿里巴巴正在研發量子芯片。

阿里于 2017 年挖來密西根大學教授施堯耘，坐鎮阿里達摩院量子實驗室。2018 年發布量子電路模擬器“太章”。

需要厘清的是，“量子模擬器”不屬于量子硬件。

“量子模擬器”是在經典計算機上運行的軟件程序，用經典的計算資源（超算）或分布式計算架構去模擬量子電路，可以用來編寫和測試程序。簡單而言，“量子模擬器”在模擬量子電路以后，就可以運行量子程序、量子算法，在造出實用的量子硬件之前，是很好的“承上啟下”的工具。

2018 年 2 月，阿里巴巴一款 11 個量子比特的實驗性芯片被曝光。2019 年，達摩院成立量子硬件實驗室（超導量子計算硬件實驗室），以超導硬件實現為核心，走“先高精度，后多比特”的路線，基于不同于主流的量子比特設計fluxonium，來實現超高精度的量子比特。不遠的將來，他們將向業界分享在fluxonium比特和高質量量子芯片上的基礎研究工作。

整體來看，做出量子計算機需要滿足三個基本條件：量子芯片、量子編碼、量子算法，它們分別是實現量子計算的物理系統，確保計算可靠性的處理系統，提高運算速度的關鍵。

郭光燦院士認為，中國目前在量子計算方面落后美國差不多五年，但是并未產生明顯的代際差距，只要奮起直追，就還有希望。

可以預見的是，最高決策層集體學習量子計算釋放的信號，將促動更多的公司、研究機構加入量子計算的研究行列中，為中國的量子計算事業添磚加瓦。

參考資料：

《講給孩子的量子力學》

《量子計算機：穿越未來世界》

《“杞人憂天”的物理學家們與量子計算機的誕生》

《量子信息技術研究現狀與未來》

《量子信息技術發展與應用研究報告》