量子計(jì)算機(jī)：離產(chǎn)業(yè)化還有多久

科技輿情分析研究所

量子計(jì)算機(jī)，有別于傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，它必將是未來(lái)計(jì)算機(jī)的主流。量子計(jì)算的概念最早由美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼提出，認(rèn)為量子計(jì)算的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的想象力，甚至算是“超能力”。與傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)不同的是，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的內(nèi)部由電子元器件組成，所以它的運(yùn)算存在天花板，但量子本身就是一個(gè)量子系統(tǒng)，由多個(gè)處于量子狀態(tài)的粒子組成。用量子計(jì)算機(jī)模擬量子系統(tǒng)的過(guò)程，其實(shí)就是用量子系統(tǒng)去模擬另一個(gè)量子系統(tǒng)，其運(yùn)算能力在理論上是沒(méi)有上限的。

目前谷歌、IBM、英特爾等世界級(jí)的科技巨頭都紛紛投身到量子計(jì)算機(jī)研發(fā)制造的行列之中來(lái)。在超導(dǎo)量子計(jì)算方面，我國(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被稱為全球頂尖量子科技研發(fā)制造機(jī)構(gòu)！

中國(guó)首款量子計(jì)算機(jī)上線發(fā)力

9月12日，本源量子公司發(fā)布了中國(guó)第一款量子計(jì)算機(jī)“悟源”，使用的核心硬件是6個(gè)量子比特的夸父芯片。

9月16日，IBM首次公布了其量子計(jì)算硬件的未來(lái)路線圖。目前該公司的量子處理器最高是65個(gè)量子比特，2021年計(jì)劃推出127個(gè)量子比特，2022年計(jì)劃推出433個(gè)量子比特，到2023年底爭(zhēng)取打造出超過(guò)1000個(gè)量子比特的芯片。

兩相對(duì)比，中國(guó)雖然明顯落后，但總歸是邁出了量子實(shí)用化的第一步。

2019年10月，谷歌發(fā)布了一款53量子比特的處理器，只用了短短200秒，就完成了經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要10000年才能完成的計(jì)算量。

當(dāng)時(shí)，谷歌宣稱，基于自身的技術(shù)積累，谷歌已經(jīng)建立了“量子霸權(quán)”。

一個(gè)300位大數(shù)，利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解，需要花費(fèi)15萬(wàn)年，而同等級(jí)別的量子計(jì)算機(jī)只需要1秒。

此前，瑞典皇家理工學(xué)院的MartinEkera和Google的CraigGidney利用量子計(jì)算機(jī)，在8小時(shí)內(nèi)就破解了世界上最安全的加密算法RSA-2048。

此事也就說(shuō)明，在量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的算力面前，任何密碼都將形同虛設(shè)。

2016年，IBM推出第一款量子計(jì)算云平臺(tái)；2019年，亞馬遜、微軟也相繼推出了量子計(jì)算云平臺(tái)。

目前，世界上最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)是IBM的65個(gè)量子比特。此前，世界上真正能跟IBM掰掰手腕的量子計(jì)算云平臺(tái)，只有5家，但中國(guó)一家都沒(méi)有。

正是面對(duì)這種“量子霸權(quán)”，中國(guó)開(kāi)始發(fā)力，或者說(shuō)本源量子公司開(kāi)始發(fā)力了。

本源量子公司成立于2017年，由中科大中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的郭光燦院士和郭國(guó)平牽頭成立，旨在網(wǎng)羅量子計(jì)算領(lǐng)域人才，將量子計(jì)算推向產(chǎn)業(yè)化。

正是因?yàn)檫@股時(shí)不我待的緊迫感，本源量子只用3年就推出了中國(guó)首款量子計(jì)算機(jī)。

為了避免重蹈華為覆轍，量子計(jì)算機(jī)“悟源”的國(guó)產(chǎn)化程度非常高，目前唯一的“舶來(lái)品”就是外層制冷機(jī)，量子芯片需要借此在接近零度的低溫環(huán)境下工作。這項(xiàng)技術(shù)目前只被國(guó)外幾家公司壟斷，但國(guó)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)正在加緊研發(fā)，相信最早在明年即可實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。

截至2019年底，本源量子已經(jīng)獲得了400多項(xiàng)專利，在全球量子計(jì)算發(fā)明排行榜上位列第12位。而本源量子也宣布：“2021年底，將會(huì)推出60比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。”

如此，我們中國(guó)人也可以在人類量子計(jì)算歷史上，寫下濃墨重彩的一筆。

量子計(jì)算機(jī)落地應(yīng)用挑戰(zhàn)多

進(jìn)步得益于近年來(lái)量子計(jì)算工程化的推進(jìn)。當(dāng)前，幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家都把量子計(jì)算當(dāng)作未來(lái)技術(shù)制高點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外知名的IT公司紛紛涉足量子計(jì)算。全球量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)公司超過(guò)百家，2019年是量子計(jì)算發(fā)展高光的一年。量子計(jì)算機(jī)前景遠(yuǎn)大，但落地應(yīng)用長(zhǎng)路漫漫。

“研發(fā)量子計(jì)算機(jī)，首先要足夠多的量子比特?！彬v訊量子實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員鄭亞銳解釋。理論上，自然界中一切有量子效應(yīng)的載體都可用作量子比特。鄭亞銳說(shuō)，一般認(rèn)為量子比特?cái)?shù)量要達(dá)到100萬(wàn)個(gè)，量子計(jì)算機(jī)才能走向?qū)嵱谩？僧?dāng)下，工業(yè)界還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)控制100個(gè)量子比特。

穩(wěn)定性是量子計(jì)算機(jī)落地應(yīng)用的另一個(gè)重要指標(biāo)，這就要求較長(zhǎng)的相干時(shí)間，以及非常高的保真度。提高比特?cái)?shù)量的同時(shí)，又不降低保真度是學(xué)術(shù)界聚焦的難題。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)、離子阱、超冷原子、半導(dǎo)體量子點(diǎn)都能夠用于開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)。這些不同的體系，造就了量子計(jì)算機(jī)不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線?！懊恳粋€(gè)體系都有優(yōu)缺點(diǎn)?！北驹戳孔痈笨偛脧堓x說(shuō)，半導(dǎo)體量子點(diǎn)路線操控方便，但相干時(shí)間很短；光學(xué)或者離子阱路線，相干時(shí)間長(zhǎng)，但可擴(kuò)展性相對(duì)差。

目前，多數(shù)開(kāi)發(fā)者選擇的是超導(dǎo)和半導(dǎo)體兩條路線，兩者的工程化、工藝化也推進(jìn)較快。開(kāi)發(fā)者希望借助先進(jìn)的半導(dǎo)體、集成電路工藝，在推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)研發(fā)之時(shí)，還為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的潛在融合埋下伏筆。

清華大學(xué)量子信息中心終身副教授金奇奐介紹說(shuō)，近年來(lái)，學(xué)界對(duì)離子阱路線的基礎(chǔ)研究很多，但直到最近幾年，才開(kāi)始有公司大規(guī)模開(kāi)展離子阱量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院研究員強(qiáng)曉剛認(rèn)為，集成光量子芯片技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可實(shí)用化光量子計(jì)算系統(tǒng)的重要途徑。

從電子管到晶體管，再到集成電路，隨著材料和工藝的迭代，經(jīng)典計(jì)算機(jī)性能不斷提升?！耙源祟惐龋孔佑?jì)算還處在‘電子管的時(shí)代’?！睆堓x說(shuō)，“也許某天人類突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)完美材料，做出量子計(jì)算機(jī)就不再難了。”

這顯然不是一個(gè)人能夠完成的工作。鄭亞銳呼吁，目前起步階段，企業(yè)和科研院所應(yīng)該破除技術(shù)壁壘，過(guò)分強(qiáng)調(diào)技術(shù)保護(hù)不利于量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)。

未來(lái)應(yīng)用會(huì)從特定領(lǐng)域開(kāi)始

量子計(jì)算機(jī)體積比常規(guī)計(jì)算機(jī)大數(shù)倍，并且只能進(jìn)行特定領(lǐng)域的計(jì)算，嚴(yán)苛的低溫運(yùn)行環(huán)境以及千萬(wàn)美元的價(jià)格（D-Wave1500萬(wàn)美元售價(jià)）使普通個(gè)人用戶無(wú)法使用量子計(jì)算機(jī)。即便是較為廉價(jià)的量子云服務(wù)，作為領(lǐng)先時(shí)代的技術(shù)，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)并不能更好地滿足日常生活環(huán)境的大規(guī)模應(yīng)用，量子軟件的學(xué)習(xí)成本也抬高了使用門檻。因此，個(gè)人用戶尚不具備使用量子計(jì)算機(jī)的條件。

量子計(jì)算機(jī)想要達(dá)到商用水平需要經(jīng)歷三個(gè)階段，第一個(gè)階段就是研發(fā)原型機(jī)，這個(gè)階段基本上已經(jīng)結(jié)束。第二階段重點(diǎn)在于尋找專用級(jí)的芯片，用它來(lái)解決特定行業(yè)問(wèn)題。第三階段就是發(fā)展出真正通用量子計(jì)算機(jī)，外國(guó)專業(yè)人士預(yù)測(cè)2030年這個(gè)市場(chǎng)的估值大約是20億美元，2050年極有可能市場(chǎng)估值暴增百倍。

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院認(rèn)為，對(duì)于量子計(jì)算元年的到來(lái)仍然無(wú)法精確預(yù)測(cè)，但可以想象的是生物醫(yī)藥、化工行業(yè)將在量子元年應(yīng)用市場(chǎng)中占據(jù)較大規(guī)模。隨著時(shí)間的推移，搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)等市場(chǎng)占比將逐步擴(kuò)大，成為量子計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的主流。

量子計(jì)算機(jī)目前依舊停留在實(shí)驗(yàn)室階段，雖然基礎(chǔ)理論已基本完善，可離產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。