標準量子計算難於上青天 堪稱永遠的50年

日前，頂層會議集體學習量子科技研究和應用前景，提出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。量子計算和量子通信都是非常有潛力的技術，但也都存在技術不成熟的問題。數年前，無良商家和一些不負責任的媒體就過度炒作量子技術，甚至還搞出量子內衣、量子鞋墊、量子襪、量子保溫杯等一些忽悠老百姓的東西。有鑑於前車之鑑，鐵流簡單介紹一下當下量子計算和量子通信存在的問題，量子計算連一個邏輯比特都做不到，屬於「永遠的50年」，量子通信則是量子密鑰分配，而且並非無懈可擊。目前，量子計算和量子通信還需要較長時間搞研究，還遠遠未到可以大規模產業化的階段。

量子計算為何被很多人看好

近年來，傳統計算機發展中已經逐漸遭遇功耗牆、通信牆等一系列問題，加上摩爾定律開始失效，晶片性能的增長開始放緩，傳統計算機的性能增長潛力和增長速度都已大不如前。在這種情形下，探索全新物理原理的高性能計算技術的需求就應運而生。

量子計算的基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計算任務。一般選用處於糾纏狀態的量子，比如光子的兩個偏振態、電子的兩個自旋態、離子的兩個能級來構建量子位。

想必很多人都聽說過薛丁格的貓，而量子位就類似於那隻貓的狀態。一個量子位可以同時處於0狀態和1狀態，當量子系統的狀態變化時，疊加的各個狀態都可以發生變化。

相對於只能表示0和1的電晶體，量子位能同時表示0和1兩個狀態，這就使量子計算機在並行計算上具有巨大優勢——畢竟N個量子位可同時存儲2的N次方個數據，數據量隨N呈指數增長。同時，量子計算機操作一次等效於電子計算機要進行2的N次方次操作的效果，等於是一次演化相當於完成了2的N次方個數據的並行處理，這是現在的電子計算機所不具備的。理論上說，量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納製造等領域具有突出優勢。

「量子制霸」標準量子計算機屬於「永遠的50年」

近年來，關於量子計算機的各種新聞不絕於耳，國內中科大潘建偉院士團隊、郭光燦院士團隊，國外谷歌、IBM公司、Intel公司先後開發出了量子計算原型機。

此前，谷歌、英特爾、IBM分別推出過49、50、72個物理比特的原型機。此前，谷歌此前發布的「通用量子計算機」Bristlecone，在量子比特數目上達到全球第一。不過，這裡所謂的「通用量子計算機」的稱呼，其實說具有較大水分的，只是專用機，做不到通用。

IBM的IBMQ原型機則被譽為「世界首個專為科學和商業用途設計的集成通用近似量子計算系統，是目前全球唯一的獨立商用量子計算機」。一些媒體在報導中，將IBMQ與ENIAC相比，認為將開啟量子計算新時代。

然而，標準量子計算機的實現可能性和可控核聚變類似，都是「永遠的50年」，量子計算機將很快取代經典電子計算機只是不靠譜的幻想。

什麼是「永遠的50年」呢？

如果一項計算實現難度很大，以目前的技術儲備幾乎看不到實現的可能，但萬一實現了足以引發一場技術革命，那麼，在談實現這項技術還有多久的時候，往往會用50年來表述——過了10年，同一個記者再去問同一個專家，得到的回覆還是50年。

也就形成了所謂的「永遠的50年」。

如果回答是20、30年，但時間到了卻沒做到，由於具體負責人都還在崗或在世，因而會帶來一系列負面因素，但如果是50年，保不齊當年鼓吹這項技術的項目帶頭人都不在了，而且漫長的時間，也有利於衝淡人們的記憶。

量子計算機就是這樣的一項技術，如果能夠實現的話，前景廣闊，但以現在的技術儲備而言，根本製造出標準量子計算機。同屬「永遠的50年」的還有可控核聚變技術，如果能夠成功人類能擺脫化石能源枷鎖，也許還能開啟共產主義社會模式。問題就在於，這項技術屬於「永遠的50年」。

實現標準量子計算機難度極大

之所以實現標準量子計算機難度極大，主要是因為在編碼、系統擴展、邏輯門精度、相干消等諸多方面，都有著極大的差距。

編碼是製造通用量子計算機的最大攔路虎。如果要製造出超過經典計算機的標準量子計算機，就必須至少獲得50個邏輯比特。然而，目前人類所知的量子糾錯機制，必須用上80-10000個物理比特，才能產生1個邏輯比特。目前全球沒有任何一家商業公司或科研機構，能夠做出一個邏輯比特。

要說明的是50個邏輯比特並不是終點，而僅僅是一個新起點——雖然一些量子計算機的鼓吹者聲稱50個量子比特就能顛覆經典計算機，但實際上，這種說法並不客觀。

瑞士蘇黎世皇家理工學院的物理化學家馬科斯.雷勒表示：「如果我們擁有超過200個邏輯比特位，我們就能在量子化學上做到傳統計算機無法做到的事情，如果擁有5000個邏輯比特位，量子計算機將為這一領域帶來顛覆性的改變。」

更多的邏輯比特就需要擴展系統，但系統擴展的難度會以幾何倍數增長，何況現在連一個邏輯比特都無法實現。

邏輯門精度也是一個大問題，要製造出標準量子計算機，單比特門精度和雙比特門精度都必須達到非常高的要求。一些現在所謂的「量子計算機」的單比特門精度和雙比特門精度其實都達不到標準量子計算機的要求。

量子計算有賴於量子糾纏，隨著環境、時間的變化，量子之間會失去這種糾纏效應。而維持量子糾纏的穩定時間才是真正有用的，而IBM此前只能維持90毫秒，這麼短的時間，基本不具備實用價值。

現在這些所謂的「量子計算機」，雖然在宣傳上往往冠以「通用」之名，但其實都只能完成特定任務。

比如國內的某臺量子計算原型機就只能做波色採樣，不具備通用性。國外谷歌、IBM、英特爾的機器也是類似，都是專用機，在一些特定應用，能夠取得相對於經典計算機的優勢，但不具備通用性。

對於量子計算機，無論是商業公司也好，還是政府也好，投入一定資金進行探索是非常好的。在技術進步的道路上，不斷取得成績也值得稱讚。

但一些商業公司過分炒作量子計算概念，對一些有限且局部的進步大肆渲染浮誇營銷誤導大眾，仿佛量子計算機就要到革命的前夜，仿佛經典計算機就要成為電子垃圾，未免就有些過了。

至於一些媒體過度炒作量子霸權，或者將量子計算機與貿易摩擦強行掛鈎，著實令人無語。

標準量子計算任重道遠

谷歌、IBM、英特爾與潘院士、郭院士團隊的努力都值得稱讚。

然而，問題就在於量子計算機概念被過度炒作，量子已經成為與納米、Alot、5G等詞彙一樣被媒體和資本熱炒，被捧得太高，已經超出其實際技術水平，並衍生出了很多原本不具備的概念。這種做法並不利於行業的健康發展和技術進步。

由於研發標準量子計算機的難度非常非常大，有業內人士認為：

所謂標準的量子計算機，也是一批人的定義，不見得一定是最後的實現方式，我們要以比較開放的態度來看這個系統是不是能夠實現超越非量子的計算能力。

無獨有偶，IBM的工程師也提出了「近似量子計算」的概念，也就是在無法解決編碼問題的情況下，開發出能夠適應、容忍噪音的算法，並得到正確的答案。

這就像是在大選中，統計人員無視一些出錯的的電子選票後，仍然得到正確的選舉結果。

總而言之，量子計算機必然會先以量子專用機的形式出現，並在特定領域取得自己的立足之地。這些專用機只會是經典計算機的補充，而非對經典計算機的革命。

若要製造出具有通用性，且性能超越經典計算機的標準量子計算機，則是一項非常艱巨的任務。