目前,全球關(guān)于量子計(jì)算的競(jìng)賽持續(xù)升溫,尤其是當(dāng)谷歌的“量子霸權(quán)”論文出來(lái),引發(fā)各種口水戰(zhàn)。美國(guó)的量子口水戰(zhàn)引發(fā)全球產(chǎn)業(yè)對(duì)量子計(jì)算的進(jìn)一步關(guān)注,中國(guó)的量子計(jì)算怎么樣,大家同樣期待了解。12月12日,一家中國(guó)的量子創(chuàng)業(yè)公司——合肥本源量子計(jì)算科技有限公司在合肥高新區(qū)的一個(gè)舉動(dòng)引起關(guān)注,其推動(dòng)的“本源量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟OQIA”正式掛牌。就中國(guó)量子計(jì)算的現(xiàn)狀,中國(guó)量子計(jì)算與美國(guó)的主要差距,全球量子計(jì)算的主要挑戰(zhàn),量子計(jì)算的現(xiàn)狀與未來(lái),日前《中國(guó)電子報(bào)》記者獨(dú)家采訪了合肥本源量子計(jì)算公司的副總裁張輝博士。
中美差距有多大?
可以說(shuō),2019年是美國(guó)“量子計(jì)算”的高光之年,量子計(jì)算之所以引發(fā)關(guān)注是因?yàn)閮杉笫乱皇荌BM公司將量子計(jì)算機(jī)搬到了年初的消費(fèi)電子展CES上,讓這個(gè)神秘的“計(jì)算大佬”真實(shí)的走到了大眾面前,另一件大事是谷歌在《自然》雜志上發(fā)文,宣告量子霸權(quán),引發(fā)一系列口水戰(zhàn)。而一直低調(diào)的中國(guó)量子計(jì)算與國(guó)外巨頭相比處于什么水平?從量子位來(lái)看,中國(guó)現(xiàn)在研發(fā)出來(lái)的最高量子位又是多少a?
張輝表示,從科研的水準(zhǔn)上看,比如超導(dǎo)體系(谷歌、IBM主要技術(shù)路線)方向上,中國(guó)與國(guó)外有兩至三年的差距;半導(dǎo)體體系(intel主要技術(shù)路線)方向上,中外差距在一至兩年。然而,要將量子計(jì)算機(jī)整機(jī)實(shí)現(xiàn)出來(lái),還會(huì)涉及許許多多工程化、工藝化方面的問(wèn)題和挑戰(zhàn),這是我國(guó)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié),考慮這個(gè)因素的話,中外差距會(huì)有4-5年,甚至更大。目前,國(guó)際上最主流的超導(dǎo)量子芯片方向上來(lái)看,今年下半年中科大潘建偉院士團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)、北京量子研究院團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)實(shí)現(xiàn)了20位量子比特糾纏(量子糾纏是量子計(jì)算的部分功能)的工作,這是國(guó)內(nèi)的最高水準(zhǔn)。這距離谷歌、IBM的50多位的量子計(jì)算芯片仍有較大差距。
據(jù)透露,合肥本源量子公司將在明年搭建中國(guó)第一臺(tái)量子計(jì)算原型機(jī),具有全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的。原型機(jī)將搭載6比特超導(dǎo)芯片,技術(shù)指標(biāo)達(dá)到IBM在2016年時(shí)的工作水準(zhǔn);同時(shí),原型機(jī)將搭載另一款2比特的半導(dǎo)體芯片,這相當(dāng)于Intel在2018年的水準(zhǔn)。
據(jù)介紹,本源量子在2017年9月成立,由中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孵化成立公司,其最大使命就是推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的工程化、工藝化和商業(yè)化,把量子計(jì)算機(jī)從實(shí)驗(yàn)室?guī)У浆F(xiàn)實(shí)中。本源量子明年推出量子計(jì)算原型機(jī),目前已申報(bào)進(jìn)入安徽省發(fā)改委攻堅(jiān)計(jì)劃項(xiàng)目。如果明年順利完成原型機(jī)搭建工作,將標(biāo)志著我們國(guó)家有能力自主完成量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)。
未來(lái)技術(shù)路線誰(shuí)來(lái)主導(dǎo)?
目前全球各大公司在量子計(jì)算的推進(jìn)上采取了不同的技術(shù)路線,有光學(xué)的,有超導(dǎo)的。本源量子采取什么技術(shù)路線,商業(yè)化還需要多久?
張輝表示:“本源量子采取的路線與英特爾的技術(shù)路線有些相似?!庇浾叽饲安稍L了英特爾公司美國(guó)研究院院長(zhǎng)Rich Uhlig,其透露英特爾的量子計(jì)算研究是從兩個(gè)方向來(lái)推進(jìn)的,既包含了超導(dǎo)量子,也包含自旋量子。在早期時(shí)候,英特爾是以雙管齊下的方式進(jìn)行研究的,最近英特爾內(nèi)部已經(jīng)將研究技術(shù)路線更聚焦在硅自旋量子計(jì)算上。
張輝介紹,本源量子采取的路線是超導(dǎo)和半導(dǎo)體兩種體系同時(shí)推進(jìn)。IBM和谷歌的技術(shù)路線主要是超導(dǎo),英特爾是兩種路線都在做。從目前的進(jìn)度來(lái)看,英特爾對(duì)硅基半導(dǎo)體量子更加側(cè)重,而微軟則是基于拓?fù)淞孔佑?jì)算的方式。
而從商業(yè)化的角度看,IBM商業(yè)化做得最好,其對(duì)外宣稱是希望在5年左右時(shí)間達(dá)到商用化,谷歌對(duì)外宣稱量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化需要10年。“從國(guó)內(nèi)發(fā)展情況來(lái)看,我們與IBM、谷歌肯定有差距,但希望差距會(huì)不斷縮小,但估計(jì)還是需要10年以上才能商業(yè)化,預(yù)計(jì)是10~15年?!睆堓x說(shuō)。
產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是應(yīng)用落地的推手嗎?
目前,包括IBM等公司都是以產(chǎn)學(xué)研用組成聯(lián)盟的方式推進(jìn)量子計(jì)算的協(xié)同合作,與他們相比中國(guó)的量子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟有什么不一樣的地方?
張輝表示,IBM在2017年推行了一個(gè)全球量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,這個(gè)聯(lián)盟包括了高校、企業(yè)、用戶等。IBM的量子計(jì)算目前是商業(yè)化運(yùn)作的最好的公司,他們的聯(lián)盟是非常前沿和具有意義的。
“我們也是學(xué)習(xí)和借鑒了IBM的做法,今年12月12日,本源量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟掛牌成立,聯(lián)盟的意義在于,本源有一個(gè)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)工具,但是缺乏金融、生物醫(yī)藥、材料等行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和資源,希望通過(guò)聯(lián)盟方式找到合作伙伴,獲取各個(gè)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)、資源、以及所面臨的問(wèn)題,并把這些資源和問(wèn)題梳理轉(zhuǎn)化成物理和數(shù)學(xué)模型,再用量子計(jì)算機(jī)和軟件算法去解決問(wèn)題?!睆堓x說(shuō),比如IBM聯(lián)合金融巨頭摩根大通公司來(lái)共同研究金融策略優(yōu)化、海量數(shù)據(jù)檢索等問(wèn)題,推動(dòng)量子計(jì)算快速向金融領(lǐng)域應(yīng)用落地。在真正的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之前,他們的做法是先進(jìn)行算法研究,從理論上或簡(jiǎn)單的模型上,驗(yàn)證量子計(jì)算是否對(duì)解決相關(guān)問(wèn)題有指數(shù)級(jí)加速的效果,這些成果他們通過(guò)申請(qǐng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利保護(hù)起來(lái)。
據(jù)張輝介紹,本源量子在2018年就開(kāi)始了尋求聯(lián)盟合作的工作,找了一些國(guó)內(nèi)在人工智能、生物醫(yī)藥、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域的優(yōu)秀企業(yè),共同探索量子計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景。2019年,合肥高新區(qū)政府覺(jué)得這件事情很有意義,于是參與推進(jìn)聯(lián)盟的工作。同時(shí),高新區(qū)結(jié)合自身的雙創(chuàng)平臺(tái)和政策,期望量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟可以孵化出一批創(chuàng)業(yè)者和創(chuàng)業(yè)公司。
張輝透露,目前本源的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與IBM工作類似。聯(lián)盟伙伴分為:第一類是高校、研究機(jī)構(gòu),比如國(guó)內(nèi)多家雙一流高校在這個(gè)聯(lián)盟里,我們共同培養(yǎng)量子計(jì)算的人才,并共同建立一些合作項(xiàng)目。第二類是應(yīng)用面上或是產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè),比如人工智能領(lǐng)域的云從科技、中科類腦。未來(lái)可以運(yùn)用量子計(jì)算技術(shù)的,也包括比如做超低溫的中船鵬力等企業(yè)都提供了量子計(jì)算機(jī)供應(yīng)鏈上的支持。第三類是同行者,那些量子計(jì)算方向的企業(yè),從這點(diǎn)來(lái)看,目前國(guó)內(nèi)的情況相對(duì)較差,數(shù)量很少。而美國(guó)除了巨頭公司外還有一兩百家創(chuàng)業(yè)公司,構(gòu)建起了很好的生態(tài),各有專長(zhǎng),相互支撐。
“但是我們相信在接下來(lái)的一兩年,國(guó)內(nèi)一定會(huì)有一批量子計(jì)算方向上的企業(yè)出來(lái),希望后面有越來(lái)越多的伙伴出現(xiàn)?!睆堓x說(shuō)。
據(jù)張輝介紹,今年6月,本源量子發(fā)布了全球第1款量子化學(xué)應(yīng)用軟件chemiQ,這是一款應(yīng)用前景非常大的軟件,比如用于未來(lái)的生物制藥、材料發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域。目前,受限于量子芯片的發(fā)展還處于初期,只能讓它演示氫分子、水分子等最簡(jiǎn)單的分子模型。但隨著量子芯片的發(fā)展,尤其是比特?cái)?shù)的提升,其將展現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)大的功效。目前,本源已與生物醫(yī)藥方向上的企業(yè)開(kāi)展了前期的研究工作。
全球量子計(jì)算還有哪些挑戰(zhàn)?
關(guān)于全球的量子計(jì)算挑戰(zhàn),張輝表示,從當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看,其實(shí)連最底層的物理載體到底是用哪個(gè)載體都還沒(méi)有定論。我們現(xiàn)在看到科研界比較多的是用光學(xué)體系、離子阱等技術(shù)來(lái)做量子計(jì)算研究。而在企業(yè)工程化方向上,這幾年量子計(jì)算機(jī)研究的主流是在超導(dǎo)和半導(dǎo)體方向上(我們統(tǒng)稱為其為固態(tài)器件)。這得益于人類技術(shù)的突破,在固態(tài)器件上把量子相干時(shí)間(即物理體系保持量子相互作用效應(yīng)的時(shí)間),從原來(lái)的納秒級(jí)別(就是10的負(fù)9次方秒)提升到百微秒級(jí)(10的負(fù)4次方秒),就可以保證量子計(jì)算能夠操作幾百次到上千次。固態(tài)器件方向上的進(jìn)步使得量子計(jì)算一下子變得特別熱,谷歌、IBM、英特爾等大批公司都?jí)簩氃谶@個(gè)方向上。
光學(xué)和離子阱等體系最大的優(yōu)勢(shì)是相干時(shí)間很長(zhǎng),但其缺點(diǎn)是可擴(kuò)展性和可操控性方面不理想。量子計(jì)算早期研究階段,用光學(xué)和離子阱體系的團(tuán)隊(duì)很多,有許多出色的工作產(chǎn)生。而固態(tài)器件體系上,其最大的優(yōu)勢(shì)是未來(lái)的可擴(kuò)展性強(qiáng)、可操控性強(qiáng),并基于人類在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上積累了大量先進(jìn)的工藝技術(shù),所以包括英特爾等電子計(jì)算機(jī)行業(yè)的巨頭企業(yè)都希望將量子計(jì)算機(jī)在超導(dǎo)和半導(dǎo)體上來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前,固態(tài)器件方向上的研究,最大的挑戰(zhàn)是要提高相干時(shí)間和系統(tǒng)保真度。保真度可以理解為每次操作的成功功率,在計(jì)算機(jī)體系里,為了實(shí)現(xiàn)每一次操作的精準(zhǔn)性,會(huì)使用糾錯(cuò)容錯(cuò)的方式,這些都需要消耗額外多的物理比特資源。
云計(jì)算巨頭為何熱衷量子服務(wù)?
目前,包括IBM、微軟、亞馬遜等都在采用云計(jì)算的方式提供有關(guān)量子訪問(wèn)與服務(wù)給科學(xué)家和程序員,中國(guó)的量子計(jì)算與中國(guó)的云計(jì)算廠商有合作計(jì)劃嗎?
張輝表示,利用云計(jì)算來(lái)提供服務(wù)是在經(jīng)典計(jì)算機(jī)領(lǐng)域上的經(jīng)驗(yàn)。這里,先對(duì)于量子計(jì)算機(jī)有幾個(gè)誤區(qū)要消除,一是很多人會(huì)問(wèn)量子計(jì)算機(jī)如此強(qiáng)大,是不是通用量子計(jì)算機(jī)造出來(lái)就會(huì)取代傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)?這是一個(gè)誤區(qū),經(jīng)典計(jì)算機(jī)功能很強(qiáng)、算法成熟,依然有很大的應(yīng)用空間,而量子計(jì)算機(jī)只是解決一類問(wèn)題比較強(qiáng)。所以,目前來(lái)看,量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)會(huì)是個(gè)需要融合的系統(tǒng)。二是量子計(jì)算機(jī)并不需要進(jìn)入到每個(gè)企業(yè)甚至每個(gè)家庭,量子計(jì)算機(jī)目前看來(lái)造價(jià)非常昂貴,而且要求的工作環(huán)境極其苛刻。量子計(jì)算機(jī)造出來(lái),它主要是用來(lái)解決需要巨大的算力的場(chǎng)景。就好比我們?cè)诮?jīng)典計(jì)算時(shí)代,我們的經(jīng)驗(yàn)是通過(guò)云端互動(dòng)把超算資源服務(wù)給大眾即可,那么這樣的經(jīng)驗(yàn)也可以用在量子計(jì)算上,我們通過(guò)電腦、手機(jī)等工具把需要量子計(jì)算機(jī)解決的問(wèn)題提交給量子云,由其背后的量子計(jì)算機(jī)處理和解決問(wèn)題之后把結(jié)果反饋給你。這是通用做法,所以包括IBM、微軟、亞馬遜都上線了量子云服務(wù)。
張輝進(jìn)一步介紹,本源量子是在2017年年底上線的量子云的,清華、阿里、華為也都有量子云服務(wù),這是通行做法,利用云服務(wù)的方式給用戶和愛(ài)好者提供訪問(wèn)和服務(wù)。本源量子的量子云服務(wù)目前主要是提供公司自主研發(fā)的開(kāi)發(fā)軟件、匯編語(yǔ)言等,可以讓開(kāi)發(fā)者在云上進(jìn)行學(xué)習(xí)。明年本源公司量子計(jì)算原型機(jī)出來(lái)后,會(huì)同步上線到云端,雖然6個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)還是比較初級(jí)、比較笨的機(jī)器,但是可以讓開(kāi)發(fā)者進(jìn)行體驗(yàn)。
張輝介紹說(shuō),目前還有一個(gè)比較主流方式是用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)提供量子虛擬機(jī)功能,就是用經(jīng)典計(jì)算模擬量子芯片,這好比人類發(fā)射真正的宇宙飛船之前,會(huì)把宇航員放在個(gè)模擬倉(cāng)里讓他先適應(yīng)和訓(xùn)練一樣。量子計(jì)算可以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子芯片的工作原理和運(yùn)行邏輯,讓我們的很多軟件和算法在模擬器上先跑一跑,看他們是不是能夠跑起來(lái),看看這些軟件和算法的邏輯是不是通的,驗(yàn)證其趨勢(shì)是不是有明顯的指數(shù)級(jí)提升?,F(xiàn)在我們用經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以模擬的量子計(jì)算環(huán)境最高可以達(dá)到200個(gè)比特以上。
如何跨越量子計(jì)算的“死亡谷”?
據(jù)介紹,合肥本源量子是中國(guó)第一家量子計(jì)算方向的創(chuàng)業(yè)公司。按照張輝給出的介紹,本源量子的最大優(yōu)勢(shì)是人才隊(duì)伍,以及依托著中科大的量子信息實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)研究技術(shù),由中科大量子實(shí)驗(yàn)室做“123”的工作,本源做“456”階段的工作。本源在過(guò)去兩年里,受到投資人的大力支持,種子輪和天使輪獲得了8000萬(wàn)的融資,明年將開(kāi)啟pre-A輪融資。
什么是“123”、“456”呢?關(guān)于這個(gè)問(wèn)題,張輝表示,我們常形容一個(gè)新技術(shù)從研發(fā)到走上市場(chǎng)成為產(chǎn)品的發(fā)展需要1到9步。“123”是技術(shù)的研發(fā)和探索階段,在高校實(shí)驗(yàn)室或科研機(jī)構(gòu)做,這個(gè)階段可以通過(guò)獲取國(guó)家科研經(jīng)費(fèi)來(lái)支撐。“789”是產(chǎn)品化、商業(yè)化的階段,我們國(guó)內(nèi)許多巨頭企業(yè),如BAT、華為等,都非常擅長(zhǎng)這個(gè)階段的運(yùn)作。而“456”的階段,是把技術(shù)從科研品轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)產(chǎn)品的過(guò)程,很多人形容這個(gè)區(qū)域是個(gè)死亡谷,國(guó)內(nèi)極少有人和企業(yè)愿意跨在這個(gè)階段里,既不能靠發(fā)文章拿錢,又無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)盈利,本源量子就處在這個(gè)谷里?!笆聦?shí)上,做量子計(jì)算是件非常燒錢的事,在我們實(shí)驗(yàn)室里僅儀器設(shè)備就投入了5,6個(gè)億,還要每天不斷的消耗各種資源,所以一般企業(yè)是玩不起,尤其是硬件投入方面。”張輝說(shuō)。相比來(lái)說(shuō),美國(guó)的研究生態(tài)要好得多,許多巨頭公司愿意砸錢到“硬科技”的研究上,國(guó)家也能積極引導(dǎo)和給予支持,比如谷歌量子團(tuán)隊(duì)在宣布量子霸權(quán)之后谷歌再向團(tuán)隊(duì)支持10億美金,支持他們向通用量子計(jì)算機(jī)前進(jìn)。
既然量子計(jì)算如此燒錢,我們有必要投入如此巨大來(lái)做量子計(jì)算嗎?張輝說(shuō),當(dāng)然有必要。隨著人類發(fā)展,對(duì)數(shù)據(jù)量的需求已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前算力所及,需要不斷尋找新的算力突破。比如說(shuō)人類研制新藥,傳統(tǒng)的方式是靠經(jīng)驗(yàn)篩選,經(jīng)過(guò)一層層試驗(yàn),從小白鼠到最后用到人體上,一個(gè)新藥研制周期至少需要20、30年以上,而未來(lái)其中的很多環(huán)節(jié)都可用量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬,能大大縮短研發(fā)時(shí)間,其中的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值是無(wú)法估量的。聽(tīng)上去量子計(jì)算機(jī)和我們百姓日常生活關(guān)系不大,但其實(shí)許許多多方面是息息相關(guān)的,未來(lái)你吃的藥、開(kāi)的車、花的錢,背后都很可能是量子計(jì)算機(jī)在支撐著服務(wù)。
那么,量子計(jì)算未來(lái)的商業(yè)市場(chǎng)大嗎?張輝回應(yīng)說(shuō),想象空間無(wú)限大,人工智能、金融分析、生物醫(yī)藥、材料能源、氣象海洋、航空航天等等,都是量子計(jì)算所能輻射的領(lǐng)域?!拔覀兂0腴_(kāi)玩笑,做量子芯片的很可能誕生下一個(gè)“英特爾”,做量子軟件的有可能誕生下一個(gè)“微軟””,圍繞量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈上一定會(huì)誕生一批巨頭企業(yè),還有無(wú)限想象的應(yīng)用場(chǎng)景。
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