【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算機(jī)? 技術(shù)路線? 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)? 戰(zhàn)略投資

【中圖分類號】TP30? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.010

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展逐漸走向停滯

當(dāng)近代半導(dǎo)體芯片技術(shù)的發(fā)展使得每個(gè)晶體管縮小到只容納一個(gè)電子時(shí)，按照傳統(tǒng)模式，此技術(shù)將達(dá)到控制電子的物理極限。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已逐漸走向停滯。

摩爾定律走到了盡頭：近20年芯片速度幾乎沒有提升。從1958年第一個(gè)僅包含一個(gè)雙極性晶體管的集成電路問世，到如今集成十幾億晶體管的處理器芯片的應(yīng)用，集成電路在60多年的時(shí)間里發(fā)展迅速。我們現(xiàn)在使用的手機(jī)的性能已經(jīng)相當(dāng)于30年前的Cray-2超級計(jì)算機(jī)了。如此巨大的發(fā)展速度的背后是什么規(guī)律呢？要說清楚這個(gè)問題，我們就不得不提到芯片產(chǎn)業(yè)最著名的金科玉律——摩爾定律。

摩爾定律由戈登·摩爾（Gordon Moore）于1965年在《電子學(xué)》雜志中提出。在觀察了當(dāng)時(shí)晶體管制造工藝的發(fā)展之后，摩爾提出：同面積的集成電路上可容納的晶體管數(shù)量會以每年增加一倍的速度發(fā)展。10年之后，摩爾根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況對摩爾定律做了第一次修正，將每年增加一倍改為每兩年增加一倍。然而，摩爾定律畢竟是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，半導(dǎo)體行業(yè)在摩爾定律的指導(dǎo)下一直發(fā)展到2013年。其后，行業(yè)組織對摩爾定律進(jìn)行了第二次修正，將之前每兩年翻倍的發(fā)展速度改為每三年翻倍。這次的修正從工程的角度來看至少有四個(gè)原因。

首先是工藝的極限。半導(dǎo)體制造工藝中主要工藝之一是光刻。這種工藝在理論上受到分辨率的限制，即由于可見光的波動性使其可以發(fā)生衍射，光束不能無限聚焦。要實(shí)現(xiàn)更小的工藝，就要用到波長更短的激光，而短波長的激光利用起來本就非常復(fù)雜。因此，把單個(gè)晶體管做到更?。丛谕娣e的集成電路上容納更多的晶體管）變得異常困難。

其次是內(nèi)部連接的極限。隨著單位面積集成電路中的晶體管越來越多，內(nèi)部連接成了集成電路中越來越重要的部分。內(nèi)部連接要么做到快速的信號傳輸，要么做到盡量細(xì)的銅線和密集的排布，但魚和熊掌不可能兼得。因?yàn)楦?xì)的銅線會產(chǎn)生更大的銅線電阻，而更密集的排線也會造成銅線間電流相互影響的加大。所以，即便晶體管能夠越做越小，如何在保證快速信號傳輸?shù)耐瑫r(shí)加入更多的內(nèi)部連接也成為一個(gè)非常棘手的問題。

再次是傳統(tǒng)晶體管的設(shè)計(jì)極限。當(dāng)晶體管尺寸做到10納米（nm）的時(shí)候，晶體管的柵氧化層只有幾個(gè)原子的厚度。在這個(gè)尺度下至少會有三個(gè)問題。其一，在量子隧穿效應(yīng)的影響下，晶體管的性質(zhì)將變得很不穩(wěn)定。其二，由于各個(gè)晶體管的制造過程不可能完全一樣，因此不同晶體管會有不同的特性，而不同的特性在納米級的尺度下會更加明顯。其三，晶體管將會發(fā)生嚴(yán)重的漏電。這在移動設(shè)備普遍使用的今天是一個(gè)相當(dāng)大的問題。

最后一個(gè)要提到的是技術(shù)投入的極限。新科技的研發(fā)需要大量的資金和時(shí)間，即便研發(fā)成功，公司的技術(shù)人員也需要投入大量的精力去學(xué)習(xí)并使用這些新技術(shù)。這就導(dǎo)致很多中小芯片制造商無力承擔(dān)這項(xiàng)技術(shù)投入，而選擇繼續(xù)使用老技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)加工。[1]

多核的陷阱：一直在“偷懶”的芯片。早在1971年，英特爾就推出了首個(gè)商用但速度僅有740kHz的計(jì)算機(jī)芯片。在此之后，芯片速度得到了迅速提高，在不到30年后的2000年已經(jīng)突破2GHz，實(shí)現(xiàn)了近3000倍的增長。然而2000年似乎成為芯片速度提高的一個(gè)坎，直到今天，市場上多數(shù)處理器的速度仍在3GHz左右徘徊。

2001年，IBM（International Business Machines Corporation）制造出了世界上第一個(gè)雙核處理器，使得兩個(gè)低速度、低功耗的處理器可在性能方面與當(dāng)下單個(gè)高速度的處理器相匹敵，并由此開辟了并行化體系結(jié)構(gòu)的市場。2004年，英特爾在AMD發(fā)布了其第一個(gè)雙核處理器后，更是宣布取消其對4GHz處理器的研究，轉(zhuǎn)而與同行一起投入到多核處理器的研發(fā)當(dāng)中。由此，計(jì)算機(jī)芯片的發(fā)展從之前的更高速的單核研究轉(zhuǎn)變到同等甚至低速的多核研究。究其原因，主要是更高速的處理器的功耗和散熱已經(jīng)達(dá)到了不可忽視的地步。

2013年，在第二次修正摩爾定律的同年，功耗成為計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。當(dāng)晶體管的尺寸越做越小時(shí)，量子隧穿效應(yīng)（指電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢壘）產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象帶來了越來越大的熱能轉(zhuǎn)換，使得芯片的散熱成為急需解決的問題。于是，芯片制造商們紛紛停止高頻芯片的研發(fā)，轉(zhuǎn)而開始研究低頻多核的架構(gòu)。這才有了從2001年出現(xiàn)的第一個(gè)雙核芯片到現(xiàn)在普遍家用電腦的4核芯片，再到如今英特爾最新架構(gòu)上的64核芯片的發(fā)展。

然而，從單核向多核的發(fā)展并沒有從根本上解決問題。因?yàn)樾酒圃焐虄H僅是停止了高頻單核的研發(fā)，但并未停止往同面積的集成電路內(nèi)加入更多的晶體管。在晶體管越做越小并因晶體管漏電而導(dǎo)致芯片發(fā)熱越來越嚴(yán)重的今天，芯片制造商們又是如何解決功耗以及散熱的問題呢？答案是，沒有解決。

為了在現(xiàn)有的散熱技術(shù)上保證芯片不至于過熱和功耗不至于過大，如今多核芯片中已經(jīng)有一部分不能和其余部分同時(shí)使用。舉個(gè)簡單的例子，對于一個(gè)65納米下的4核處理器，額定功耗允許其4個(gè)核同時(shí)全速工作?，F(xiàn)在當(dāng)工藝縮小到32納米時(shí)，等面積的處理器能容下16核，但是能夠同時(shí)工作的仍然只有4個(gè)核，而不能和其他部分同時(shí)使用的12個(gè)核被稱為“暗硅”。按照如今的發(fā)展速度，現(xiàn)代處理器的“暗硅”部分很快就能大到99%。也就是說，按照如今的發(fā)展，不久之后的芯片，即便性能再好，在同一時(shí)間能夠利用的也只是1%。[2]

阿姆達(dá)爾定律：程序并行化的極限。下面我們暫時(shí)拋開硬件，從軟件程序的角度解釋系統(tǒng)并行化的極限。多核芯片處理的問題在于：在此之前的絕大多數(shù)程序都是按照串行算法開發(fā)的，而這些程序還不能很好地在多核芯片上并行執(zhí)行。因?yàn)檎麄€(gè)程序里并沒有啟用多余的核進(jìn)行處理，而這些多余的核在大多數(shù)時(shí)間里也都是閑置的。于是學(xué)術(shù)界和廠商開始了又一波對并行化的研究。他們一部分人希望通過設(shè)計(jì)新的編程語言，讓程序員人工提高程序的并行度;另一部分人則希望通過對編譯器的優(yōu)化，使編譯器自動識別程序中可并行的部分并生成可并行的二進(jìn)制碼。然而雙方的成效都非常有限。

可并行的編程語言需要程序員有并行的編程思維，而這多多少少有違人類本身的邏輯思維方式。同時(shí)，并行語言為程序調(diào)試帶來了很大挑戰(zhàn)。因此，大規(guī)模的并行程序開發(fā)相當(dāng)困難。與此同時(shí)，編譯器能在程序中找到的可并行部分也相當(dāng)有限，這也使得自動并行化的效率非常之低。這么看來，多核芯片真的是一個(gè)好的決定嗎？程序的并行極限又在哪里呢？要解釋這些問題，我們便不得不提到計(jì)算機(jī)科學(xué)界的另一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則——阿姆達(dá)爾定律。

阿姆達(dá)爾定律于1967年由IBM360系列機(jī)的主要設(shè)計(jì)者吉恩·阿姆達(dá)爾（Gene Amdahl）提出。該定律首先將一個(gè)程序分成可并行和不可并行兩部分，并指出程序中對某一部分進(jìn)行并行后所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度取決于并行部分被使用的頻率或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例。換句話說，在并行計(jì)算中用多核處理器對單個(gè)程序的加速受限于該程序所需的串行時(shí)間百分比。比如，一個(gè)程序中如果有一半是不能被并行的，那么即便有無限核的處理器，該程序能得到的最大加速比也只是兩倍。如果同時(shí)考慮邏輯門和銅線連接的延遲，則可并行化的加速上限將在一個(gè)更低卻更現(xiàn)實(shí)的高度。同時(shí)，在銅線延遲開始超過邏輯門延遲的今天，信號已經(jīng)無法在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被傳達(dá)到芯片的所有地方。

當(dāng)然，研究領(lǐng)域里也不乏試圖再次突破現(xiàn)有體系所帶來的物理極限的嘗試。其中最大的項(xiàng)目要數(shù)對量子計(jì)算機(jī)的研究。從底層電路到計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，再到上層的算法設(shè)計(jì)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都投入了大量精力進(jìn)行研究。

量子計(jì)算是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然。基于前面所論述的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)面臨的極限，當(dāng)下計(jì)算機(jī)的研究越來越多地跳出了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的范疇。人類早就在尋求開發(fā)新一代計(jì)算機(jī)，比如光子計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)以及量子計(jì)算機(jī)。這兩年比較火的是量子計(jì)算機(jī)，與硅基計(jì)算機(jī)使用0、1做運(yùn)算只能表示2個(gè)狀態(tài)不同，量子計(jì)算機(jī)利用的是量子學(xué)的測不準(zhǔn)原理，使用量子比特（qubit）計(jì)算，它的并行計(jì)算性能異常強(qiáng)大，可以處理普通計(jì)算機(jī)處理不了的計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生

量子力學(xué)（Quantum Mechanics）是物理學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)分支，專門研究微小粒子所具有的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，它為新的計(jì)算模式提供了基礎(chǔ)。量子計(jì)算（Quantum Computing）在20世紀(jì)80年代初被首次提出，主要是借助微小的“量子”行為改進(jìn)計(jì)算模型。當(dāng)時(shí)人們研究量子計(jì)算機(jī)的初衷是模擬量子現(xiàn)象，服務(wù)物理學(xué)。當(dāng)使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，由于龐大的數(shù)據(jù)分析使得一次模擬所需運(yùn)算時(shí)間過長，甚至可能窮盡科學(xué)家一生也看不到一次完整的結(jié)果。于是量子計(jì)算機(jī)研究應(yīng)運(yùn)而生。

量子計(jì)算機(jī)是一種完全不同的計(jì)算模式。量子計(jì)算機(jī)不只是更快的計(jì)算機(jī)，更是一種完全不同的計(jì)算范式，需要進(jìn)行一些徹底的重新思考。在高等數(shù)學(xué)里，通過坐標(biāo)變換可以將某一對象（例如一個(gè)矢量）所處的不同坐標(biāo)系進(jìn)行連接。量子力學(xué)應(yīng)用于量子計(jì)算技術(shù)，可以用“幺正變換”（從一個(gè)表象到另一個(gè)表象的變換）來表示。這有點(diǎn)像到醫(yī)院做了一次超聲波檢查，是在一個(gè)聲學(xué)的象限;又做了一次CT電子計(jì)算機(jī)斷層掃描檢查，是在一個(gè)電子的象限。它們是從不同的層次和斷面來看同一個(gè)事物的不同側(cè)面，而且可以互相轉(zhuǎn)換。在這個(gè)意義上，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算只是量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的一個(gè)特例。

量子計(jì)算機(jī)的類型。量子計(jì)算機(jī)可分三大類：其一，模擬量子計(jì)算機(jī)，它直接操作量子比特之間的相互作用，而不把其行為分解成基本的門操作，包括量子退火器、絕熱量子計(jì)算機(jī)和直接量子模擬器等。其二，數(shù)字NISQ計(jì)算機(jī)（Noisy Intermediate-Scale Quantum），含噪聲的中型量子計(jì)算機(jī)，它使用物理量子比特上的基本門操作，執(zhí)行一種特殊的算法。但是，這兩種機(jī)器都存在噪聲，這個(gè)缺點(diǎn)將限制這些計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜的問題。其三，完全誤差校正量子計(jì)算機(jī)，它是基于門的量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)版本，通過部署量子誤差校正，使有噪聲的量子比特模擬穩(wěn)定的邏輯量子比特，以便計(jì)算機(jī)在任何計(jì)算中都能可靠地工作。

量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的階段性成果。量子計(jì)算的第一個(gè)里程碑是小型專用NISQ計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。小型NISQ計(jì)算機(jī)是2017年由John Preskill提出的在未來幾年將擁有50～100量子比特的機(jī)器，但其中還是有數(shù)十個(gè)量子比特的錯誤無法修正。它所使用的量子退火技術(shù)的研究大約在其出現(xiàn)的10年前就開始了。第二個(gè)里程碑是獲得“量子霸權(quán)”（超越50量子比特），即完成一項(xiàng)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上難以完成的任務(wù)（暫且不討論這項(xiàng)任務(wù)是否具有實(shí)用價(jià)值）。2019年，在幾個(gè)團(tuán)隊(duì)的不斷努力下，這一目標(biāo)得到實(shí)現(xiàn)。第三個(gè)重要的里程碑就是創(chuàng)造一個(gè)商業(yè)上有用的量子計(jì)算機(jī)，這要求量子計(jì)算機(jī)比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)更有效地執(zhí)行至少一個(gè)實(shí)際任務(wù)。在理論上實(shí)現(xiàn)這一里程碑比實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”更困難，因?yàn)樗璧膽?yīng)用程序必須比現(xiàn)有的經(jīng)典方法更好、更有用。第四個(gè)重要里程碑是在量子計(jì)算中部署量子誤差校正以創(chuàng)建邏輯量子比特，從而顯著的降低錯誤率，這也是創(chuàng)建完全誤差校正機(jī)器的第一步。

超高速量子計(jì)算機(jī)可能的具體應(yīng)用有：加速新藥物的研制，破解最復(fù)雜的密碼安全系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新材料，模擬氣候變化，以及實(shí)現(xiàn)超級人工智能。然而，目前業(yè)內(nèi)還沒有就如何研發(fā)量子計(jì)算機(jī)達(dá)成共識，對于其將如何用于大眾市場也尚未意見統(tǒng)一。[3]

各國科技巨頭的競爭

目前，基于超導(dǎo)電路的量子比特和基于量子阱的量子比特研究取得一定進(jìn)展，但其電路體積較大，使得大數(shù)目量子比特的集成面臨很大困難，進(jìn)而影響到量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用。

制約量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的主要因素。自上世紀(jì)80年代有了相關(guān)概念以來，一些計(jì)算機(jī)專家和物理學(xué)家就將量子計(jì)算機(jī)設(shè)為其研究的終極目標(biāo)。然而，由于量子點(diǎn)具有天然的不穩(wěn)定性，迄今為止人類在該領(lǐng)域仍未能有較大突破。制約量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的三大因素分別是：量子的精度問題、量子擴(kuò)展性問題、量子微秒級處理時(shí)間問題。

首先，量子的精度問題。例如，普通計(jì)算機(jī)在計(jì)算1+1等于幾時(shí)，基本不會出錯，而量子計(jì)算機(jī)由于量子精度不高的原因，可能運(yùn)算1千次1+1的問題時(shí)，就有一次答案會出錯。其次，量子擴(kuò)展性的問題。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)的量子比特位數(shù)越高，由于外界環(huán)境的影響，整體運(yùn)算精度就會相應(yīng)大幅下降，這也是各國力爭不斷增加各自量子計(jì)算機(jī)的量子比特位數(shù)以增加計(jì)算成功率的原因。第三，各國在研制量子計(jì)算機(jī)中遇到的最難問題——量子微秒級處理時(shí)間問題。由于量子之間存在相互影響，量子數(shù)據(jù)會在極短時(shí)間內(nèi)“損壞”，也就是說，在使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)，必須在微秒級的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算，并將計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

近年量子信息技術(shù)發(fā)展情況。量子信息技術(shù)主要包括三個(gè)方面：量子計(jì)算、量子通信和量子精密測量。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，在量子計(jì)算方面，美國最強(qiáng)，歐洲次之;在量子通信上，中國領(lǐng)先，歐洲次之;在量子精密測量上，歐洲是老大，其次是美國，中國弱一些。

2017年4月，量子集成化記錄是谷歌（Google）的9量子比特;同年10月，英特爾（Intel）宣布制造出17量子比特的量子芯片;11月，國際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）宣布成功研制50量子比特原型機(jī);2018年1月，英特爾宣布成功設(shè)計(jì)、制造和交付49量子比特的超導(dǎo)測試芯片;同年3月，谷歌宣布成功制造72比特的超導(dǎo)集成量子計(jì)算機(jī)。短短1年多時(shí)間，竟然取得了如此巨大的成績！不過，現(xiàn)在實(shí)際能夠工作的超導(dǎo)集成量子計(jì)算機(jī)只有IBM的20量子比特、Rigetti Computing公司的19量子比特、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的12量子比特、阿里巴巴的11量子比特、谷歌的9量子比特計(jì)算機(jī)。2018年12月后，先后出現(xiàn)的谷歌、IBM、英特爾的49～72量子比特的“中規(guī)模量子計(jì)算機(jī)”仍在評價(jià)之中。

當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，谷歌、IBM、英特爾、Rigetti Computing四家公司正在著力提高集成化，緊追其后的是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、阿里巴巴、微軟。從現(xiàn)在業(yè)界的信息來看，很多公司將“超導(dǎo)集成量子計(jì)算機(jī)”作為后續(xù)商業(yè)化的重心。與此相對抗的還有硅基（Intel、Silicon Quantum Computing、日立等公司）、離子阱（IonQ、Alpine Quantum Technology、Honeywell等公司）、馬約拉納粒子（Microsoft、NOKIA等公司）、光子（Xanadu等公司）等平臺。今后量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域會朝著哪個(gè)方向發(fā)展，目前無法給出進(jìn)一步預(yù)測。

量子計(jì)算領(lǐng)域尚未就比較不同量子計(jì)算機(jī)的最佳方式達(dá)成一致，特別是那些建立在不同技術(shù)上的量子計(jì)算機(jī)。盡管IBM和谷歌都在使用超導(dǎo)體來創(chuàng)建它們的量子比特，但另一種方法依賴于捕獲離子，即讓帶電原子懸浮在真空中，并由激光束操縱。IBM提出了一種稱為“量子體積”的度量標(biāo)準(zhǔn)，其中包括諸如量子比特執(zhí)行計(jì)算的速度以及它們避免或糾正錯誤的能力等因素。

量子計(jì)算是具有革命性的下一代計(jì)算技術(shù)，當(dāng)前，各國量子計(jì)算模型的設(shè)計(jì)都比較成熟，但也都面臨其所依托物質(zhì)的困境。量子計(jì)算機(jī)需要依托超導(dǎo)物質(zhì)、超導(dǎo)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)并運(yùn)作。然而目前，幾乎所有國家都缺乏可實(shí)用的超導(dǎo)材料。雖然表面上各國在研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)的量子比特上存在一定差距，但實(shí)際上，各國量子計(jì)算技術(shù)都遠(yuǎn)未達(dá)到可以商業(yè)化的水平。

各國量子科技力量的競爭。（1）美國。美國是研發(fā)量子計(jì)算機(jī)較早的國家之一。很多美國跨國公司是量子計(jì)算研究的主要力量。作為行業(yè)領(lǐng)頭羊，谷歌選擇了超導(dǎo)回路技術(shù)。超導(dǎo)回路是量子計(jì)算領(lǐng)域近期發(fā)展最快的方向，IBM也已為此投入大量資金。另一科技巨頭微軟（Microsoft）則選擇了一個(gè)尚未得到驗(yàn)證的方向：拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>

量子比特?cái)?shù)量是這些公司的競逐重點(diǎn)。谷歌目前研發(fā)出72量子比特芯片Bristlecone（狐尾松），成為現(xiàn)今量子比特?cái)?shù)最高的紀(jì)錄保持者，而英特爾與IBM則分別以49個(gè)與50個(gè)量子比特緊追其后。相比之下，微軟仍在設(shè)法開發(fā)一款可運(yùn)行的計(jì)算機(jī)。微軟正在追求一種新型設(shè)計(jì)，其基礎(chǔ)是控制一種難懂的馬約拉那費(fèi)米子（Majorana fermion），而就在幾年前，還沒有人能夠確定這種粒子是否存在?，F(xiàn)在，工程師們即將能夠以一種方法控制馬約拉那費(fèi)米子，使其能夠執(zhí)行運(yùn)算。美國研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的主要公司，具體情況分別如下。

谷歌在2017年首次組裝了一臺量子計(jì)算機(jī)，但那次嘗試沒有成功，因?yàn)檫@個(gè)含有72個(gè)超導(dǎo)量子比特的系統(tǒng)太難控制了，在糾錯之后，有效利用的只有9個(gè)量子比特。2018年，谷歌推出一款72個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)Bristlecone，實(shí)現(xiàn)了1%的低錯誤率，在量子比特?cái)?shù)量上首次領(lǐng)先于其它對手。后來，谷歌與美國國家航空航天局合作，共同開發(fā)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)。2019年10月，谷歌宣布開發(fā)出名為Sycamore的量子計(jì)算機(jī)，有54個(gè)超導(dǎo)量子比特，其中在測試期間工作的超導(dǎo)量子比特有53個(gè)，測試的計(jì)算任務(wù)是“證明隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字的隨機(jī)性”。據(jù)報(bào)道，Sycamore能夠在3分20秒內(nèi)完成上述計(jì)算，而世界上最快的傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”解決同樣的問題大約需要1萬年。這意味著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法就此進(jìn)行計(jì)算，而Sycamore成為第一個(gè)證明量子計(jì)算優(yōu)勢的計(jì)算機(jī)。

在開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的競爭中，IBM是谷歌的最大競爭對手。在眾多美國公司中，IBM公司是最早進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的企業(yè)之一，其主要的超前點(diǎn)在于量子比特量級。據(jù)稱，IBM能操縱的量子比特量級大幅領(lǐng)先于其他公司，已達(dá)50量子比特能力。理論上來說，超過49比特的量子計(jì)算機(jī)在性能上就能超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。該公司2019年1月曾在美國拉斯維加斯消費(fèi)電子展上展示了可操縱20個(gè)量子比特的“IBM Q系統(tǒng)1”，其被IBM稱為可“商用”的量子計(jì)算機(jī)。同年9月，IBM公司宣布將推出53量子比特的可“商用”量子計(jì)算機(jī)，并將其95%的計(jì)算能力向用戶開放（其量子計(jì)算系統(tǒng)的用戶包括美國摩根大通銀行、日本三菱化學(xué)等）。IBM還表示，自2016年以來，全球用戶社區(qū)通過云計(jì)算在IBM的量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了1400多萬次實(shí)驗(yàn)，并發(fā)表了200多篇科學(xué)論文。

2018年1月，英特爾宣布開始制造并交付49量子比特的超導(dǎo)量子芯片，而2個(gè)月前其剛宣布制造了17量子比特的量子計(jì)算機(jī)芯片。量子計(jì)算機(jī)實(shí)際上分為很多種類，英特爾的這個(gè)量子芯片基于低溫超導(dǎo)量子原理，另外他們還在研究其他量子計(jì)算機(jī)類型，并表示其也在300mm晶圓上制造出了自旋量子比特。

這里需要說明，量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在還在發(fā)展的初級階段，不論是谷歌的72量子比特、IBM的50量子比特還是Intel的49量子比特計(jì)算機(jī)，實(shí)際上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。英特爾表示業(yè)界還要5到7年時(shí)間才能解決規(guī)?；瘑栴}，真正商業(yè)化的量子計(jì)算機(jī)至少需要100萬個(gè)量子比特甚至更多。

2019年11月，微軟宣布了一項(xiàng)名為Azure Quantum的云計(jì)算服務(wù)。通過這項(xiàng)服務(wù)，人們可以通過云計(jì)算平臺來訪問量子計(jì)算機(jī)。Azure Quantum是一個(gè)全棧式開源量子云生態(tài)系統(tǒng)，它將微軟先前發(fā)布的量子編程工具與云服務(wù)集成，使編碼人員可以在模擬量子硬件或真實(shí)的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行量子代碼。Azure Quantum的不同之處在于，它能夠讓客戶訪問多種量子計(jì)算技術(shù)，這很有可能是未來量子市場的發(fā)展趨勢：由于量子硬件難以操作，因此，大多數(shù)公司都會選擇通過云服務(wù)來實(shí)現(xiàn)自己對量子計(jì)算的需求，而不是購買或自建自己的量子計(jì)算機(jī)。實(shí)際上，此前微軟已經(jīng)推出了Q#量子計(jì)算編程語言，并集成到軟件開發(fā)工具包Visual Studio系列產(chǎn)品當(dāng)中。與此同時(shí)，微軟也提供了本地和云上的量子計(jì)算機(jī)模擬器，可讓用戶提前嘗鮮，在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)上嘗試量子計(jì)算。當(dāng)然，微軟也提供了大量的文檔和案例，感興趣的開發(fā)者今天就可以學(xué)習(xí)和嘗試量子編程。

（2）加拿大。加拿大D-Wave系統(tǒng)公司，是量子計(jì)算系統(tǒng)、軟件和服務(wù)開發(fā)與商用的量子計(jì)算機(jī)公司，也是世界上為數(shù)不多的量子計(jì)算機(jī)供應(yīng)商。2011年，其推出的商用量子計(jì)算機(jī)D-Wave One具有128量子比特處理器。2013年、2015年和2017年D-Wave又分別推出了512個(gè)、1000個(gè)和2000個(gè)量子比特的設(shè)計(jì)。第四代量子計(jì)算機(jī)D-Wave 2000Q就具有2000量子比特處理器。

目前，D-Wave系統(tǒng)公司具有完整的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、軟件和開發(fā)人員工具。D-Wave系統(tǒng)公司主要客戶是洛克希德馬丁公司、谷歌、美國宇航局、大眾、DENSO公司，USRA公司、南加州大學(xué)、美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室和美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室等。2019年9月，D-Wave系統(tǒng)公司宣布其新一代5000-Qubit量子退火計(jì)算機(jī)將首次出售給洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（the Los Alamos National Laboratory）。

（3）英國。英國量子信息技術(shù)中心也在探索超導(dǎo)回路，但其主攻方向是一項(xiàng)發(fā)展較為成熟的技術(shù)：離子阱。離子阱的工作原理是將離子通過電磁場限定在有限空間內(nèi)，利用電荷與電磁場間的交互作用力來牽制帶電粒子的運(yùn)動，將其局限在某個(gè)小范圍內(nèi)。基于量子的糾纏態(tài)現(xiàn)象，通過激光可實(shí)現(xiàn)原子的糾纏。經(jīng)過超冷處理的原子被囚禁在真空中，由激光束組成控制離子狀態(tài)的通道網(wǎng)絡(luò)，而這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是可以不斷擴(kuò)張的。一個(gè)離子阱就像一個(gè)算盤，原子在其中可以被不斷撥來撥去。

如果谷歌的超導(dǎo)回路是一個(gè)芯片，那么英國量子信息技術(shù)中心的方案就是制作很多個(gè)小芯片。一個(gè)個(gè)離子阱，可以通過光學(xué)元件進(jìn)行連接。英國量子信息技術(shù)中心的最終目標(biāo)是制造一臺Q20：20的量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)，其中包含20個(gè)離子阱，每個(gè)離子阱里囚禁20個(gè)原子，整體相當(dāng)于一臺400量子比特的量子計(jì)算機(jī)。

（4）澳大利亞。2016年，澳大利亞計(jì)劃從硅開始制造量子處理器，而新南威爾士大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝設(shè)計(jì)的新的計(jì)算機(jī)芯片。該芯片是世界上第一個(gè)純硅量子計(jì)算機(jī)芯片。其量子疊加態(tài)的穩(wěn)定性比以前提高了10倍，這有助于開發(fā)更可靠的硅基量子計(jì)算機(jī)。澳大利亞科研人員計(jì)劃到2022年研制出一個(gè)10量子比特的基于硅基集成電路的芯片，這將成為建造世界上第一臺基于硅基的量子計(jì)算機(jī)的重要里程碑。

（5）日本。2015年，日立制作所開發(fā)出堪與“量子計(jì)算機(jī)媲美”、基于CMOS Annealing（退火）技術(shù)的非馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)處理器，其工作原理與加拿大D-Wave系統(tǒng)公司推出的商用量子計(jì)算機(jī)相似。然而，D-Wave系統(tǒng)只能在極度低溫下工作，而且非常容易受噪聲干擾，而日立的系統(tǒng)可以在室溫下工作。日立已經(jīng)試制出規(guī)模為D-Wave系統(tǒng)公司預(yù)定投產(chǎn)的量子計(jì)算機(jī)的約10倍的系統(tǒng)，并進(jìn)行了工作演示。2015年日立發(fā)布的成果在量子計(jì)算機(jī)研究者中引起了轟動。按照過去的常識，即便是D-Wave系統(tǒng)等公司在短時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果的模型，也需要結(jié)合“量子糾纏狀態(tài)”“隧道效應(yīng)”等量子力學(xué)效應(yīng)。如果如日立公司成果一樣，在室溫下工作、采用半導(dǎo)體技術(shù)的計(jì)算機(jī)也能夠獲得與量子計(jì)算機(jī)相同的結(jié)果，那么量子計(jì)算機(jī)有可能失去其存在的意義。

新型計(jì)算機(jī)的定位并不是替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而是要覆蓋傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不擅長的領(lǐng)域，二者是互補(bǔ)關(guān)系。對于利用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)求解非常費(fèi)時(shí)、費(fèi)電的問題，可以利用新型計(jì)算機(jī)快速、省電地求出近似解。日立預(yù)測，今后在解決利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、物流系統(tǒng)等社會性課題的時(shí)候，此類問題將頻繁出現(xiàn)。該公司希望利用此次開發(fā)的技術(shù)解決社會性課題。

（6）中國。中國在量子計(jì)算技術(shù)方面的主要優(yōu)勢在量子通信領(lǐng)域。從當(dāng)前發(fā)展程度來看，中國是較早進(jìn)入這一領(lǐng)域，且處于國際“第一梯隊(duì)”的國家，與西方國家?guī)缀跬?，且在超?dǎo)技術(shù)方面可與掌握最先進(jìn)技術(shù)的國家并駕齊驅(qū)。同時(shí)，在量子通信技術(shù)上，中國受到外界的技術(shù)干擾、管制的影響較小，發(fā)展前景良好。

2016年8月16日，中國發(fā)射全世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”。截至2017年8月，其已完成包括千公里級的量子糾纏分發(fā)、星地的高速量子密鑰分發(fā)，以及地球的量子隱形傳態(tài)等預(yù)定科學(xué)目標(biāo)。2017年9月，中國量子保密通信干線“京滬干線”開通。當(dāng)日結(jié)合“京滬干線”與“墨子號”量子衛(wèi)星，成功實(shí)現(xiàn)人類首次洲際距離且天地鏈路的量子保密通信?！熬删€”連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥，全長2000余公里，全線路密鑰率大于20千比特/秒（kbps），可同時(shí)供上萬用戶密鑰分發(fā)。

全球量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明知識產(chǎn)權(quán)專利排行。量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律、調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。經(jīng)過多年發(fā)展，量子計(jì)算技術(shù)的研究與應(yīng)用探索不再只停留在理論研究階段，而已經(jīng)受到世界科技強(qiáng)國的高度重視，成為新興技術(shù)領(lǐng)域熱點(diǎn)，并已經(jīng)初具產(chǎn)業(yè)生態(tài)。2019年11月，知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)業(yè)科技媒體IPRdaily與incoPat創(chuàng)新指數(shù)研究中心聯(lián)合發(fā)布了“全球量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明專利排行榜（TOP20）”，對截至2019年9月30日，在全球公開的量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明知識產(chǎn)權(quán)專利申請數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排名。入榜前20名企業(yè)主要來自7個(gè)國家和地區(qū)。從國家來看，排名與入榜數(shù)量占比由上而下分別是：美國占比50%，日本占比15%，英國、加拿大各占比10%，中國、澳大利亞和韓國各占比5%。其中，來自加拿大的量子計(jì)算公司D-Wave以325件專利位列第一，來自美國的科技公司IBM和Microsoft分別以235件專利和212件專利排名第二位和第三位，來自中國的量子計(jì)算公司本源量子以36件專利排名第十二位（具體排名如表1所示）。入榜專利主要涉及與量子計(jì)算相關(guān)的結(jié)構(gòu)、算法以及系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域。

量子計(jì)算發(fā)展主要困難和技術(shù)路線

1982年，量子計(jì)算機(jī)的概念由美國物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）提出，但在20世紀(jì)80年代，量子計(jì)算機(jī)多處于理論推導(dǎo)等紙上談兵狀態(tài)。直到1994年，彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質(zhì)因子分解算法，量子計(jì)算機(jī)開始成為熱門話題。目前為止，我們已經(jīng)在控制量子比特方面取得重大進(jìn)展，許多研究小組已經(jīng)驗(yàn)證了量子計(jì)算機(jī)的可行性并做出樣機(jī)。這些工作使量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域生氣勃勃，大量國家資本和私人投資進(jìn)入其中。但量子計(jì)算的時(shí)代何時(shí)真正開始？這對于技術(shù)人員來說，是個(gè)至關(guān)重要的問題。因?yàn)榱孔佑?jì)算一旦落地，將從根本上重新定義計(jì)算這件事。屆時(shí)我們所學(xué)的每一個(gè)算法都可能需要重寫，所有成果都需要翻新。

量子并行計(jì)算技術(shù)發(fā)展的主要困難。量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在只是剛起步，目前的硬件水平還不能制造出通用的量子計(jì)算機(jī)。量子比特會與外部環(huán)境發(fā)生作用而使量子衰減，這是目前面臨的主要技術(shù)難題，而實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算的兩大技術(shù)困難如下：

其一，量子比特之間的相干性很難長時(shí)間保持。目前，量子計(jì)算機(jī)的研究還處于理論和實(shí)驗(yàn)階段，只能產(chǎn)生幾十個(gè)量子位。為了在量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)高效的并行操作，必須使相互關(guān)聯(lián)的量子比特串作一個(gè)整體，即量子相干。這樣，只要處理其中一個(gè)量子比特，影響就會立即傳輸?shù)叫蛄兄械钠渌孔颖忍?。這一特性是量子計(jì)算機(jī)高速運(yùn)行的關(guān)鍵。

由于量子相干系統(tǒng)與周圍環(huán)境的相互作用，相干度會迅速衰減，并且隨著量子比特?cái)?shù)的增加，保持相干態(tài)將變得越來越困難。目前，此連貫性只能維持不到一秒鐘。在如此短的時(shí)間內(nèi)需要完成一定數(shù)量的邏輯運(yùn)算，這對量子邏輯門的開關(guān)速度提出很高要求，而量子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的最有效的方法。量子編碼是用一些特殊的量子態(tài)來表示量子比特，以達(dá)到保持相干性的目的。主要的量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。其中，量子糾錯碼是經(jīng)典糾錯碼的類比，是目前研究最多的一類編碼，其優(yōu)點(diǎn)為適用范圍廣，缺點(diǎn)是效率不高。

其二，要做出邏輯比特，則目前物理比特的數(shù)量仍不足。量子比特可以進(jìn)一步分為物理比特和邏輯比特。由于噪聲的客觀存在和物理比特穩(wěn)定性的一些缺陷，只有通過對多個(gè)物理比特的冗余處理，才產(chǎn)生邏輯比特。一般來說，噪聲較小的系統(tǒng)可以用較少的物理比特對邏輯比特進(jìn)行編碼。與物理比特相比，邏輯比特具有更好的容錯性。因此，盡管IBM、谷歌和英特爾已經(jīng)制作了原型機(jī)并獲得“量子霸權(quán)”，但如果他們想制作邏輯比特，則目前物理比特的數(shù)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。事實(shí)上，這些量子計(jì)算機(jī)還處于非常原始的階段，只能適用特定的應(yīng)用。

當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)的難點(diǎn)在于無法實(shí)現(xiàn)編碼邏輯比特，當(dāng)然還存在系統(tǒng)擴(kuò)展、邏輯門精度等問題。由于這些技術(shù)瓶頸，現(xiàn)在開發(fā)的量子計(jì)算機(jī)只能稱為原型，它們只能執(zhí)行單一的特定功能，而無法實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算。

全球量子計(jì)算機(jī)四種技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑之爭?？茖W(xué)界最近涌現(xiàn)出的一些進(jìn)步重新點(diǎn)燃了科學(xué)家想方設(shè)法組建更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)的熱情，并促使其使用不同技術(shù)研制計(jì)算能力超強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)，從而使全球出現(xiàn)了四種主要的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。

第一，用超低溫超導(dǎo)材料制成量子計(jì)算機(jī)。加拿大D-wave系統(tǒng)公司開發(fā)的量子芯片采用特殊的鈮金屬材料，這種材料在低溫下呈超導(dǎo)態(tài)，其電流具有順時(shí)針、逆時(shí)針和順逆時(shí)同時(shí)存在的混合狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算。D-wave系統(tǒng)公司已經(jīng)開始在市場上銷售量子計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，主要客戶包括谷歌和美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。

第二，基于微電子制造技術(shù)的量子計(jì)算。過去幾年IBM依托于耶魯大學(xué)和加州大學(xué)圣巴巴拉分校在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了進(jìn)展，研究小組將超導(dǎo)材料錸和鈮分散在半導(dǎo)體表面，當(dāng)冷卻到絕對零度時(shí)，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)量子行為。研究結(jié)果表明，量子計(jì)算可以建立在標(biāo)準(zhǔn)微電子制造技術(shù)的基礎(chǔ)上。

第三，離子阱制造量子比特。離子阱技術(shù)是利用離子阱中的離子制造量子比特，即利用電極產(chǎn)生電場，在電場里“俘獲”經(jīng)過超冷處理的離子。研究人員已經(jīng)能夠利用激光實(shí)現(xiàn)離子糾纏。到目前為止，研究人員已經(jīng)用這種方法建立了一個(gè)由8個(gè)量子位組成的系統(tǒng)，全球有20多個(gè)大學(xué)和公司的研究實(shí)驗(yàn)室從事類似的研發(fā)和設(shè)計(jì)。

第四，使用量子糾纏來獲取信息。量子計(jì)算機(jī)的基本單位是量子比特，即用原子的自旋等粒子的量子力學(xué)狀態(tài)表示0和1。量子比特因可同時(shí)處于0和1的狀態(tài)（量子疊加），使得量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，隨著量子比特?cái)?shù)的增加，其計(jì)算能力呈指數(shù)增長，但是觀測或測量量子比特可能會造成其計(jì)算潛力的削減。因此，研究人員利用量子糾纏來獲取信息。在量子糾纏中，粒子連接在一起，則測量一個(gè)粒子的性質(zhì)可以直接揭示另一個(gè)粒子的相關(guān)信息。然而，如何擴(kuò)大糾纏量子位的數(shù)目并保持糾纏態(tài)是當(dāng)前量子信息研究領(lǐng)域的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

量子計(jì)算機(jī)技術(shù)前沿。技術(shù)一，在極冷的環(huán)境下控制量子（主要研究者為谷歌、IBM和英特爾）。量子計(jì)算機(jī)能力的“大”和“小”，基本上取決于其量子比特的數(shù)量，而在傳統(tǒng)架構(gòu)下，當(dāng)量子比特的數(shù)量迅速增加，一些基本粒子對于外界的干擾會越來越敏感，導(dǎo)致錯誤率急劇上升。由于量子是微觀粒子，因此哪怕極其微小的電磁場都會對其構(gòu)成干擾，產(chǎn)生所謂的“局部噪音”。同時(shí)，由于熱輻射和電磁輻射等環(huán)境噪聲的存在，量子系統(tǒng)會受到環(huán)境的干擾。只有在零場強(qiáng)和絕對零度的環(huán)境中，才有理想狀態(tài)下的量子計(jì)算。這也是為什么量子計(jì)算機(jī)要放在接近絕對零度（約-273.15攝氏度）的容器里，被嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地封閉起來，對外界干擾“嚴(yán)防死守”。但是，由于這種溫度環(huán)境需要消耗大量的資金和能源，這在一定程度上就阻礙了量子計(jì)算機(jī)小型通用化的技術(shù)進(jìn)程。

技術(shù)二，采用“拓?fù)淞孔颖忍亍边M(jìn)行計(jì)算（主要研究者為微軟）。微軟不是使用普通的“邏輯量子比特”（Logical Qubit）進(jìn)行計(jì)算，其獨(dú)特的技術(shù)路線是采用“拓?fù)淞孔颖忍亍保═opological Qubit）進(jìn)行計(jì)算。拓?fù)淞孔颖忍厥峭ㄟ^基本粒子的拓?fù)湮恢煤屯負(fù)溥\(yùn)動來處理信息。無論外界的干擾如何“蹂躪”基本粒子的運(yùn)動路徑，只要它還連續(xù)變化，從拓?fù)浣嵌葋砜?，其運(yùn)動就是等價(jià)的。這也就是說，用拓?fù)淞孔颖忍剡M(jìn)行計(jì)算，對于外界的干擾有極強(qiáng)的容錯能力。這樣一來，基于拓?fù)淞孔颖忍氐挠?jì)算機(jī)就可以在規(guī)模上很大，在能力上很強(qiáng)。微軟是當(dāng)前壓寶拓?fù)淞孔佑?jì)算的科技巨頭。這個(gè)技術(shù)一旦取得突破，長期困擾我們的諸多計(jì)算難題將迎刃而解。

技術(shù)三，使用量子退火原理尋找最優(yōu)解（主要研究者為D-Wave）。量子退火算法可以這樣理解：在量子工作環(huán)境中加入一個(gè)隨機(jī)的擾動，使得計(jì)算的解更容易出現(xiàn)在距離最優(yōu)解更近的地方，然后多次進(jìn)行退火過程使結(jié)果不斷接近最優(yōu)解。退火算法就是利用現(xiàn)實(shí)世界中量子系統(tǒng)的自然趨勢來尋找能量狀態(tài)的最低點(diǎn)。如果優(yōu)化問題和量子系統(tǒng)自然趨勢的峰值和谷值相似，則每一個(gè)坐標(biāo)就代表一種可能的解決方案，而高度（峰值和谷值的差）則表示能量值。最優(yōu)解就是能量狀態(tài)的最低點(diǎn)和量子系統(tǒng)的谷值相互對應(yīng)。

進(jìn)一步的解釋是：在量子計(jì)算機(jī)里，由于量子的物質(zhì)波，量子的位置可以是它附近的任一處，只不過概率不同。初始時(shí)，我們給予某量子一個(gè)擾動，就好比金屬開始退火時(shí)升高溫度，它有可能會產(chǎn)生一個(gè)與當(dāng)前值有一定距離的新值，然后計(jì)算機(jī)比較這兩個(gè)值。接下來我們可以更改這個(gè)擾動，好比升高退火的溫度，使量子可能出現(xiàn)在更多的地方，并繼續(xù)進(jìn)行比較判斷，直到最終找到最優(yōu)解，而此時(shí)量子恢復(fù)初始的穩(wěn)定狀態(tài)，就好比金屬的退火結(jié)束，溫度恢復(fù)到了正常溫度。這也是為什么這個(gè)方法被稱為量子退火。量子退火算法就是讓大自然自己去選擇最優(yōu)的答案。目前商用量子計(jì)算機(jī)（其實(shí)是量子退火機(jī)）D-Wave Two會對每次計(jì)算任務(wù)重復(fù)4000次，以便使得解趨向更加精確。

國家層次的戰(zhàn)略投資

從歷史上看，一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步取決于對該技術(shù)投入的人力和資金的多少。技術(shù)的進(jìn)步將推動經(jīng)濟(jì)的收入，從而使資金可持續(xù)投資在研發(fā)、人才等方面并進(jìn)一步促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。如同互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程，如果我們想在量子研究中實(shí)現(xiàn)持續(xù)的指數(shù)級別的技術(shù)進(jìn)步，就需要進(jìn)行指數(shù)級別的投資，并保持這種投資的良性循環(huán)。

在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)中，先期的商業(yè)成功將增加整個(gè)領(lǐng)域的投資，但在沒有商業(yè)回報(bào)的中間研發(fā)環(huán)節(jié)，則需要政府增加資金支持，因?yàn)檠邪l(fā)時(shí)，艱難的中間環(huán)節(jié)直接影響研發(fā)的成功與否。從現(xiàn)狀看，美國、英國、日本、中國等國以及歐盟都在加大對量子計(jì)算機(jī)開發(fā)的投入。

美國。2018年9月，美國政府發(fā)布《量子信息科學(xué)國家戰(zhàn)略概述》（National Strategy for Quantum Information Science），旨在確保美國在“下一場技術(shù)革命”中的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。同年12月，時(shí)任美國總統(tǒng)特朗普簽署《國家量子計(jì)劃法案》（National Quantum Initiative Act），至此醞釀半年的《國家量子計(jì)劃法》正式生效。該法案旨在確保美國在量子信息科學(xué)及技術(shù)應(yīng)用方面的領(lǐng)先優(yōu)勢，支持量子信息科學(xué)技術(shù)的研究、開發(fā)、論證和應(yīng)用，要求美國總統(tǒng)實(shí)施“國家量子計(jì)劃項(xiàng)目”（National Quantum Project）。法案授權(quán)在10年計(jì)劃的前5年投資12.75億美元用于量子信息科學(xué)，其中，向美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology）撥款4億美元，向美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation，United States）撥款2.5億美元，向美國能源部撥款6.25億美元。這些資金將用于培養(yǎng)科學(xué)家、拓展研究和建立10個(gè)量子研究與教育中心。同時(shí)，該法案要求加強(qiáng)聯(lián)邦量子信息科學(xué)技術(shù)研發(fā)的跨機(jī)構(gòu)規(guī)劃與協(xié)調(diào)，建立一個(gè)國家量子協(xié)調(diào)辦公室（National Quantum Coordination Office），促使產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界建立伙伴關(guān)系。

英國。早在2013年的秋季預(yù)算中，英國政府就專門撥款2.7億英鎊用以支持“英國國家量子技術(shù)項(xiàng)目”（UK National Quantum Technology Project）在第一個(gè)5年的開展，意在加速量子技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。該項(xiàng)目包含4個(gè)研究中心，分別由4所高校主持，除了牛津大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的量子信息技術(shù)中心之外，還有伯明翰大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的量子傳感和測量中心、約克大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的量子通信中心、格拉斯哥大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的量子先進(jìn)成像中心。從2014年英國啟動此項(xiàng)目，到2019年6月英國政府宣布向量子計(jì)算商業(yè)化投資1.53億英鎊以推動研發(fā)競賽、新產(chǎn)品和創(chuàng)新、行業(yè)主導(dǎo)項(xiàng)目以及投資加速，5年間總投資超過10億英鎊。

歐盟。2016年3月，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言（草案）》，計(jì)劃于2018年啟動總額10億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目，旨在促進(jìn)包括安全的通信網(wǎng)絡(luò)和通用量子計(jì)算機(jī)等在內(nèi)的多項(xiàng)量子技術(shù)的發(fā)展，以確保歐洲量子產(chǎn)業(yè)在全球產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖中的領(lǐng)先地位。2018年10月，“歐盟量子旗艦項(xiàng)目”（EU Quantum Flagship）啟動，這個(gè)10年預(yù)計(jì)花費(fèi)10億歐元的超大項(xiàng)目計(jì)劃在三年內(nèi)建造其第一臺量子計(jì)算機(jī)Open Super Q，其目標(biāo)是構(gòu)建一臺包含100個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并可以開放給外部用戶使用。德國、西班牙、瑞典、瑞士和芬蘭的10個(gè)學(xué)術(shù)和私營企業(yè)合作伙伴參與Open Super Q研發(fā)項(xiàng)目。歐盟量子旗艦項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注四種量子技術(shù)：通信、計(jì)算、感知和仿真。同時(shí)，還將基礎(chǔ)科學(xué)納入其中。

日本。日本于2018年啟動“量子飛躍旗艦計(jì)劃”（Q-LEAP），總預(yù)算是10年220億日元，其中三分之一將投入到量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域，針對此研究課題日本政府采取了產(chǎn)學(xué)研一體化方式進(jìn)行。日本政府計(jì)劃在2019年下半年將相關(guān)預(yù)算提高至250億日元，比當(dāng)時(shí)的140億日元預(yù)算增加近一倍，以便加快量子技術(shù)的研發(fā)，為超高速量子計(jì)算提供基礎(chǔ)技術(shù)支持，同時(shí)計(jì)劃建立從基礎(chǔ)研究到知識產(chǎn)權(quán)管理的綜合性研究機(jī)構(gòu)，推進(jìn)人才培養(yǎng)。2019年11月日本政府專家會議在技術(shù)開發(fā)進(jìn)度匯總表中提出，力爭20年后實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行超高速復(fù)雜計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化，縮小與歐美及中國相關(guān)領(lǐng)域的差距。

中國。中國將量子調(diào)控與量子信息列入“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”。2016年7月，中國政府宣布將啟動量子計(jì)算機(jī)研發(fā)。2017年2月，世界上最大的量子研究設(shè)施——中國量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)啟動，一期計(jì)劃投入70億元人民幣，長期投資將達(dá)千億元人民幣。2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，該校潘建偉團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，在量子計(jì)算第一階段樹起了一座里程碑。

風(fēng)險(xiǎn)與歷史機(jī)遇

盡管我們對量子計(jì)算和量子技術(shù)的探索可能需要漫長的時(shí)間，但其中努力終將擴(kuò)展人類知識的邊界，并可能改變我們對于宇宙的理解。目前在量子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展研究領(lǐng)域，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與困難和發(fā)展機(jī)遇并存。

技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及需要克服的困難。第一，量子比特不能從本質(zhì)上隔離噪聲。經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別之一，即它們?nèi)绾翁幚硐到y(tǒng)中微小的干擾噪聲。實(shí)際上，今天的經(jīng)典計(jì)算機(jī)用于控制的操作位有很大的噪聲邊際，所以經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以抑制輸入端的噪聲污染，產(chǎn)生干凈無噪聲的輸出。然而，對于操作量子比特的量子計(jì)算機(jī)來說，最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一是錯誤率，低錯誤率一直很難實(shí)現(xiàn)。即使到2018年，5個(gè)或者更多個(gè)數(shù)的量子比特系統(tǒng)其錯誤率也超過幾個(gè)百分點(diǎn)。在較小的系統(tǒng)中一般可以有效控制錯誤率，但當(dāng)需要轉(zhuǎn)移到更大的量子比特系統(tǒng)中時(shí)則較困難，只有進(jìn)一步抑制輸入端的噪聲污染才能成功地進(jìn)行量子計(jì)算。

第二，無誤差的量子計(jì)算需要進(jìn)行量子誤差校正（Quantum Error Correction）。雖然物理量子比特的操作對噪聲很敏感，但是可以在量子計(jì)算機(jī)中運(yùn)行量子誤差校正算法來模擬無噪聲或者完全校正的量子計(jì)算。如果沒有量子誤差校正，像秀爾算法這樣復(fù)雜的程序就不太可能在量子計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確運(yùn)行。然而，執(zhí)行量子誤差校正算法需要更多的量子比特，這使得計(jì)算機(jī)的開銷增大。雖然對于無錯誤的量子計(jì)算，量子比特?cái)?shù)量至關(guān)重要，但是因?yàn)殚_銷過大，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)無法應(yīng)用。

第三，大數(shù)據(jù)無法有效加載到量子計(jì)算之中。雖然量子計(jì)算機(jī)可以使用更少的量子比特來表示更多的數(shù)據(jù)，但是沒有辦法將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成量子態(tài)。對于需要海量數(shù)據(jù)輸入的問題，產(chǎn)生輸入量子態(tài)所需的時(shí)間將占據(jù)大部分計(jì)算時(shí)間，這大大降低了量子計(jì)算的優(yōu)勢。

第四，量子算法的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。測量量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)需將大量的量子態(tài)“折疊”成單個(gè)經(jīng)典結(jié)果，這意味著，從量子計(jì)算機(jī)中所能提取的數(shù)據(jù)量與從同樣大小的經(jīng)典計(jì)算機(jī)中提取的數(shù)據(jù)量相同。但在未來，要想充分發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，量子算法必須利用獨(dú)特的量子特性。因此，量子算法的實(shí)現(xiàn)需要一種新的設(shè)計(jì)原則。量子算法的發(fā)展是量子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)非常重要的方面。

第五，量子計(jì)算機(jī)需要新的成套軟件。由于量子程序不同于經(jīng)典的計(jì)算機(jī)程序，需要進(jìn)一步研究和開發(fā)軟件工具。量子計(jì)算機(jī)完整軟硬件工具的同步發(fā)展，將加速量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。利用早期的工具完成端到端的設(shè)計(jì)，有助于發(fā)現(xiàn)隱藏的問題，從而促進(jìn)設(shè)計(jì)的整體成功，這也是經(jīng)典計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所采用的一套方法。

第六，量子計(jì)算機(jī)的中間狀態(tài)無法直接測量。量子硬件和軟件的調(diào)試非常重要。目前，量子態(tài)不能簡單地復(fù)制用于測試，任何量子態(tài)的測量都會導(dǎo)致計(jì)算停止。新的調(diào)試方法對大型量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展具有重要意義。

在量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之前，量子計(jì)算還存在著重大的技術(shù)障礙。構(gòu)建和使用量子計(jì)算機(jī)，需要整合計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料科學(xué)等一系列學(xué)科。[4]

歷史機(jī)遇。今天，科學(xué)發(fā)展的趨勢有兩個(gè)：一是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有物質(zhì)在原子層面和分子層面的組合方式，這涉及生命科學(xué)、高端材料等學(xué)科;二是探索世界存在的本質(zhì)，量子論和相對論是這一領(lǐng)域里的兩大利器。

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)正在帶來信息技術(shù)的革命性變化，首先可能應(yīng)用于醫(yī)療、國防、航天、金融、材料等行業(yè)。如果想在這些領(lǐng)域內(nèi)有突破性的進(jìn)展，就必須突破計(jì)算量太大的難關(guān)，就像在生命科學(xué)中，只有搞清楚有機(jī)物分子的排列，才有可能去模擬生命的各種可能性。因此，量子計(jì)算對這些領(lǐng)域的發(fā)展意義極大，計(jì)算能力的飛躍必然導(dǎo)致這些領(lǐng)域的大發(fā)展，屆時(shí)生命、物質(zhì)、能量、空間、時(shí)間的本質(zhì)就會展現(xiàn)在人類的面前，今天的人類連想都不敢想的應(yīng)用也會隨之出現(xiàn)。

就算法而言，量子計(jì)算機(jī)有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是對于任意一個(gè)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算法，均有其相應(yīng)的量子算法;二是存在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算法無法模擬的量子算法。人們只要造出位數(shù)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相近的量子計(jì)算機(jī)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算法就必然會被取代。隨著人類使用的數(shù)據(jù)量越來越大，各種類型的量子計(jì)算機(jī)一定會走進(jìn)我們的日常生活。量子計(jì)算機(jī)盡管在短期內(nèi)不可能取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，但它必將是人類科技文明的一個(gè)重要里程碑，是未來科技的引擎。除了量子計(jì)算潛在的社會益處之外，這項(xiàng)工作對國家的安全也有重大影響。

量子計(jì)算對于推動基礎(chǔ)性研究具有重要價(jià)值，這些研究將有助于人類理解與認(rèn)識未知世界。與所有的基礎(chǔ)性研究一樣，這一領(lǐng)域的進(jìn)展會帶來革命性的新知識和新應(yīng)用。量子計(jì)算一定會給這個(gè)世界帶來一次全新的技術(shù)革命，今天的我們甚至無法想象這樣的技術(shù)革命會給社會帶來怎樣巨大深刻的變化。

注釋

[1]J. Ren and V.K. Semenov， "Progress with Physically and Logically Reversible Superconducting Digital Circuits"， IEEE transactions on applied superconductivity， 21（3）， 2011， pp. 780-786.

[2]H. Esmaeilzadeh et al.， "Dark Silicon and the end of Multicore Scaling"， Annual International Symposium on Computer Architecture （ISCA）， 38th， 2011.

[3]C. Monroe et al.， "Large Scale Modular Quantum Computer Architecture with Atomic Memory and Photonic Interconnects"， Physical Review A， 89（2）， 2014.

[4]National Academies of Sciences， Engineering， and Medicine， Quantum Computing： Progress and Prospects， The National Academies Press， 2019.

責(zé) 編/桂 琰

李聯(lián)寧，西安交通大學(xué)城市學(xué)院教授。研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、量子計(jì)算機(jī)。主要著作有《量子計(jì)算機(jī)——穿越未來世界》《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)教程》《物聯(lián)網(wǎng)安全導(dǎo)論》《網(wǎng)絡(luò)工程》《大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用教程》等。