量子計算：算力飛躍帶來科技革命

□文/ 錢 野 杭州市科技信息研究院

量子計算是一種由量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控，基于量子信息單元完成計算的新型計算模式。它顯著區(qū)別于傳統(tǒng)計算模式，從計算的效率上看，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統(tǒng)的經(jīng)典計算。

近年來，量子計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢，已得到美國、歐洲、加拿大、澳大利亞等國家和地區(qū)的普遍關(guān)注與重視，“量子優(yōu)越性”(Quantum Supremacy，也譯作“量子霸權(quán)”)等熱點話題已成為科技界和商業(yè)界熱議的焦點。在此背景下，各大科技巨頭、初創(chuàng)公司、科研機構(gòu)等紛紛開展量子計算相關(guān)的研究與應(yīng)用布局，產(chǎn)業(yè)生態(tài)得到不斷培育和發(fā)展。

量子計算基本原理及與傳統(tǒng)計算的區(qū)別

量子計算是一種新型計算方式，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本處理和存儲單元，不同于傳統(tǒng)計算中比特位非“0”即“1”的確定特性，量子計算可表征出更多狀態(tài)，其計算和存儲能力可隨量子比特數(shù)量的增加而呈指數(shù)級規(guī)模擴展。

量子計算在理論上具有攻克傳統(tǒng)計算無解難題的巨大潛力，以破解RSA 加密體為例，RSA 加密體系的安全性依賴于大數(shù)分解復(fù)雜度，使用傳統(tǒng)計算機分解300 位大數(shù)約需10 萬年以上，而使用同樣規(guī)模的量子計算機分解300位大數(shù)僅需幾秒。

另外，傳統(tǒng)計算機的運行速度受到溫度、濕度等外界因素制約，散熱不佳將極大地降低運算速度，而計算過程中的不可逆操作將帶來極大的能耗，造成發(fā)熱。反觀量子計算，可以進行可逆操作，功耗能夠顯著降低，解決了傳統(tǒng)計算機的發(fā)熱問題。

國內(nèi)外量子計算主要研究進展

國內(nèi)重要進展

在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006-2020）》中，我國已將“量子調(diào)控研究”列為四個重大科學(xué)研究計劃之一，在國家層面提供持續(xù)性支持。

中國科技大學(xué)的郭光燦院士實現(xiàn)了2 個量子比特邏輯門電路，在操控比特數(shù)量和量子相干時間等方面達到國際先進水平。

中國科技大學(xué)的潘建偉院士在量子保密通信和量子物理方面也取得了卓越成果，首次在國際上使用光晶格技術(shù)生成并觀測了約600 對呈現(xiàn)糾纏狀態(tài)的超冷量子比特。

2017 年5 月，我國成功研發(fā)出世界上第一臺光量子計算機，標志著我國在量子計算機領(lǐng)域進入世界一流水平。該光量子計算機由中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院-阿里巴巴量子計算實驗室、浙江大學(xué)、中科院物理所等共同參與研發(fā)。經(jīng)初步實驗，該原型機的取樣速度比國際同行類似實驗快約24000 倍，比人類歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10—100倍。

2020 年12 月4 日，潘建偉院士等人成功構(gòu)建了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。這一突破使我國成為全球第二個（第一個為美國谷歌的Sycamore）實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

但是，目前我國量子計算的研究主要處于原理驗證和演示層面，尚未深入進行脫離實驗室環(huán)境的量子計算模擬和深層次計算，尚未研發(fā)出可以商業(yè)化使用的量子計算芯片。此外，我國從事量子計算領(lǐng)域的單位較少。由于基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，量子計算領(lǐng)域入門門檻較高，目前僅有中科大、阿里巴巴達摩院、中科院、清華等單位開展了量子計算方面的研發(fā)，這也導(dǎo)致了我國在量子計算實用化方面進程緩慢。

國外重要進展

歐美較為重視基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，量子領(lǐng)域技術(shù)水平走在世界前列。

在國家戰(zhàn)略布局層面，歐美布局要高于我國。歐盟于2018 年啟動總額10 億歐元的量子技術(shù)項目。同年，美國發(fā)布《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》，將量子霸權(quán)提升到國家戰(zhàn)略。英國政府投入約2.5 億美元在牛津大學(xué)等高校建立量子研究中心，培養(yǎng)該領(lǐng)域的頂尖人才。

歐美量子技術(shù)研發(fā)取得一系列重大突破。在量子芯片方面，美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校在國際上首次實現(xiàn)了9 量子比特的超導(dǎo)量子芯片，美國新南威爾士大學(xué)成功研發(fā)出2 量子比特的硅基半導(dǎo)體量子芯片，英國牛津大學(xué)則實現(xiàn)了5 量子比特的離子阱量子芯片。在量子計算方面，美國IBM 公司于2016年發(fā)布了5超導(dǎo)量子比特的量子計算機，并在2017 年將20 量子比特的計算機完成了商業(yè)化。2017 年11 月，IBM 宣布20 量子位的商用量子計算機研制成果，并于同年完成50 量子位的量子計算機原理樣機，幫助IBM 構(gòu)建量子霸權(quán)。美國哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院則在量子模擬方面取得較大進展，通過激光捕捉到超冷銣原子，并利用磁場將冷原子進行排序，最終研發(fā)出一種51 量子位的模擬器，可以實現(xiàn)特定的量子計算。

量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球已有上百家量子計算領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)，研究范疇覆蓋量子計算軟硬件、基礎(chǔ)配套和應(yīng)用探索等多個方面，企業(yè)集聚度以北美和歐洲最高。盡管量子計算目前仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的早期階段，但軍工、金融、化工、材料、生物、航空航天、交通等眾多行業(yè)已開始關(guān)注到其巨大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?，空客、摩根大通、JSR 等紛紛開始通過投資或合作等方式探索相關(guān)應(yīng)用，量子計算的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈日漸壯大。在量子計算研究和應(yīng)用發(fā)展的同時，其產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)配套設(shè)施也在不斷完善。 2019 年，英特爾與Bluefors 和Afore 合作推出量子低溫晶圓探針測試工具，加速硅量子比特測試過程。

我國科技公司阿里巴巴、騰訊、百度、華為相比于美國巨頭進入量子計算領(lǐng)域的時間相對較晚，近年來通過與科研院所合作或聘請知名科學(xué)家等方式成立相關(guān)實驗室，在量子計算云平臺、算法、軟件和應(yīng)用等方面研究布局。華為發(fā)布了HiQ 量子計算云平臺，并推出昆侖量子計算模擬原型機；阿里巴巴與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作推出量子計算云平臺；騰訊在量子AI、藥物研發(fā)和科學(xué)計算平臺等應(yīng)用領(lǐng)域開展相關(guān)研究；百度成立了量子計算研究所，積極開展量子計算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用等技術(shù)研究；中國本源量子創(chuàng)立本源量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，攜手中船重工鵬力(南京)超低溫計算有限公司共建量子計算低溫平臺。整體而言，我國科技公司在量子處理器研制和量子計算應(yīng)用推廣方面與美國相比仍有較大差距。

量子計算應(yīng)用前景及未來展望

量子計算技術(shù)所帶來的算力飛躍將為高溫超導(dǎo)等復(fù)雜度較高的物理化學(xué)科學(xué)研究、新型材料研發(fā)、醫(yī)藥研究、能源勘探與人工智能研究等領(lǐng)域開拓新局面，并有可能成為在未來改變游戲規(guī)則的計算革命，成為推動科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展演進的“觸發(fā)器”和“催化劑”。

根據(jù)波士頓咨詢公司預(yù)測，截至2030 年，量子計算應(yīng)用的市場規(guī)模將達到500 億美元，其發(fā)展前景被業(yè)界看好。當前階段，量子計算的主要應(yīng)用目標是解決大規(guī)模數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和特定計算困難問題。在量子比特數(shù)量、容錯能力、相干時間等條件尚不具備實現(xiàn)通用量子計算機之前，專用量子計算機成為量子計算領(lǐng)域的短期發(fā)展目標。結(jié)合量子計算和量子模擬應(yīng)用算法等方面的研究，在大數(shù)據(jù)分析、量子體系模擬、分子結(jié)構(gòu)解析、人工智能等領(lǐng)域有望出現(xiàn)體現(xiàn)量子計算優(yōu)勢的應(yīng)用，以此打開量子計算技術(shù)的實用化之門。

量子計算潛在的應(yīng)用場景主要有三類。一是量子組合優(yōu)化。量子退火是實現(xiàn)量子組合優(yōu)化的一種途徑，可以預(yù)見，量子退火計算在未來的制造業(yè)、商業(yè)、電信業(yè)和智慧交通與車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)砀咝?、更多收益、更加安全靈活的優(yōu)化方案。二是量子模擬。利用量子模擬技術(shù)對化學(xué)分子進行建模，能夠極大地推動制藥行業(yè)藥品研發(fā)、藥物審核以及材料行業(yè)新材料研發(fā)。生物領(lǐng)域的應(yīng)用小到可以模擬分子的生物結(jié)構(gòu)，大到可以模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，甚至在未來可能模擬人工生命。三是量子計算+人工智能。人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用是推動算法發(fā)展的一大要素，人工智能與量子計算兩大新興領(lǐng)域的交匯融合，有望催生出更有價值的應(yīng)用。目前，針對人工智能產(chǎn)生的量子算法潛在應(yīng)用包括量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自然語言處理、交通優(yōu)化和圖像處理等?！?/p>

勘誤說明

因編校失誤，《杭州科技》2022 年第2 期紙質(zhì)期刊封面及內(nèi)文頁眉處標注的“2022 年 第54 卷 總第254 期”應(yīng)更正為“2022 年 第53 卷總第254期”。

特向作者和讀者致歉。

《杭州科技》編輯部