中國計算機學會論壇上5專家激辯:量子計算機10年內成熟?中美之間...
2020-12-01 和訊浩楠 發自 凹非寺
量子位 報導 | 公眾號 QbitAI
量子計算是否有望在10-15年之內取得重大進展，走出實驗室，真正應用在解決實際問題中？
現在量子計算機領域的主要玩家仍然是谷歌、IBM、MIT等美國技術巨頭，中國的量子計算研究水平在國際上地位如何？
3月28日，中國計算機學會青年計算機科技論壇（YOCSEF）舉辦了一場「量子計算機離我們還有多遠」線上研討會。
帶著這些問題，我們與中國最權威的量子計算領域科學家、企業負責人交流了這一時下熱門話題。
真正靠譜的量子計算機是什麼樣的？
2019年10月底，谷歌宣布其名為Sycamore的晶片已經成功實現「量子優勢」，即完成在傳統電腦上幾乎不可能執行的任務來展示量子計算機的能力。
△谷歌的Sycamore量子晶片計算機
「優勢」一詞讓人感覺量子計算似乎已經可以取代傳統計算機了，但是IBM卻對谷歌的成績不以為然，他們認為，谷歌的Sycamore是「擺拍」。首先Sycamore沒有實際功能，只是生成隨機數；其次谷歌用來參照對比的傳統計算機算法也不是最優的，實際上，這個任務傳統計算機也可以毫無困難地完成。
IBM認可的路線是將量子計算的優勢與傳統計算機結合，儘快實現量子計算的商業化。而IBM已經上線了初期版本的量子云服務，面向企業和科研機構。
那麼到底誰的路線才是對的呢？作為吃瓜群眾的我們又能期待量子計算帶給我們什麼呢？
量子計算機的5種技術路線
首先，我們要清楚量子計算機是基於量子力學的物理規律的新能力計算機體系物理裝置。量子計算機編譯在是原子或者是電子這樣的微觀體系上，與傳統計算機使用高低電位表示1、0不同，量子計算機選擇電子自旋的上和下來表示1和0。相對的，量子計算機的一個計算單元不再是電晶體，而是一個量子比特。
也就是說，量子計算機的能力是由其可操作的量子比特數量和穩定性（相干時間、保真度）決定。
而要實現一個量子計算機需要三個要素：一種可用的量子比特、高保真的量子操作、量子體系（足夠多的量子比特）。
自然界中一切有量子效應的載體都可用作量子比特，而現在主要有五種不同的物理體系來實現一臺量子計算機：
這些技術路線各有優劣，每一種方案都有不同的研究機構在推進，遺憾的是，哪種路線都沒取得突破性進展，所以現在研究人員無法確定實現量子計算機的最佳物理方案。
目前百分之八九十的開發者都是遵循固體器件這樣一條路線，主要包括超導和半導體兩兩方面。
有兩個原因，第一個是人類希望借用現在非常先進的半導體、集成電路工藝實現量子計算機，這樣做的優勢在於計算機未來的可擴展性，集成性非常強大。第二是大家希望在固態器件的方向、電學的方向去實現它，因為人們仍然期待未來量子計算機和經典計算機能兼容融合。
那麼，量子計算機的技術難點在哪裡呢？
保真度取決於工藝和材料
保真度是衡量量子計算中相位相干性的損失的基本度量，其取值在0-1之間。定義為：
其中H、H'都簡單假定為不顯含時間，他們之間相差一個微擾項H『=H+εV。
簡單地說，保真度是指一個量子計算單位進行操作後與預期信息的相似度。我們當然希望量子計算的保真度越高越好。
而實現一個量子計算機需要三個要素：一種可用的量子比特、高保真的量子操作、量子體系（足夠多的量子比特）。
以超導量子比特為例，它最重要的一個優勢，在於它有類似電路一樣的結構，可以採用傳統的集成電路的工藝，快速實現大規模的的印刷和製造。
它在這幾年的發展特別快，下圖可以看到超導量子比特退相干時間大概有兩到三年就會翻一倍，現在整個量子比特的性能已經比十年前、十五年前要好得多。
除了退相干和數量之外，我們可以看到超導量子比特門操作的保真度也較高，達到了99.4%。而一個實用的量子計算機至少要集成100萬個比特門，難點在於怎樣提高比特數量的同時，比特門的保真度不會下降。
從根源上來說，我們需要從材料和工藝兩個方面進行改進。
早期的量子比特上用的都是非常傳統半導體材料，直接應用傳統的半導體工藝，但是退相干性能比較差，小於一微秒。當時大家對這個超導量子計算並不是寄予厚望，認為這個東西只能研究一些量子力學的基本問題，要真拿它來做量子計算還是有點懸。
2007年的時候，超導量子比特換了一種電容機構，性能大有提升。13、14年，谷歌又做了很多工藝的革新，退相干時間迅速提升到百微秒的量級。特別是在今年，科學家開始應用了新的材料，比如說鉭，它可能可以把比特的退相干時間進一步提升到幾百微秒的量級。
這是令人鼓舞的，超導量子計算的誕生時間雖然短，但是在這21年間，它一直保持著非常快的進步速度。
所以，未來量子比特退相干時間還有進一步提升的可能。實際上目前新工藝、新材料的嘗試仍未達到瓶頸。比如我們可以用超高真空的封裝來使得我們電路的表面可以更加乾淨；比如我們可以探索原位襯底熔煉技術，可能可以讓我們襯底的缺陷更少；還有所謂的同位素富集，就是我們超導體量子晶片的襯底，比如矽，我們用矽28的這種同位素來做襯底可能會更好。
業界認為超導量子比特的退相干時間在將來可以提升到一個毫秒的級別。一個毫秒是什麼樣的概念呢？商業應用的單個量子比特需要4個9的保真度，兩個量子比特需要3個9，如果退相干時間可以達到一個毫秒，那麼單比特就可以達到5個9的保真度，雙比特可以達到4個9的保真度。
從以往的發展歷程來看，大多數專家都認為，未來10-15年內，有商用價值的量子計算機就能落地了。
現在的量子計算產業：大量燒錢
與會的張輝博士來自本源量子計算科技有限公司，這是一家孵化於中科院量子信息實驗室的創新企業，致力於推動量子計算的商業化。
張博士認為，量子計算機現在還處在一個相當於傳統計算機的「電子管」階段。目前所有在研究量子計算機的機構，無論是行業領先的谷歌、IBM、D-wave，還是國內的創業公司，在量子計算業務上的收入都是0，而其研究投入又是巨大的，一套基礎的硬體設備最少也要5-6億人民幣。
但這並不代表這一行業難以為繼，事實上，各國早已經開始了量子計算的產業布局，相關的支持政策也陸續出臺，其光明的前景也吸引了大量社會投資。
量子計算這些年已經有了一些實際的探索案例，比如量子計算+智慧交通，理論上已經可以做很多路線的最優化算法的研究，谷歌和大眾在2019年已經使用量子路由算法和交通數據管理在現實中控制九輛公交車從會場到賓館最優化路線。當然很多人會說九輛車經典計算機也能解決，但要重點是量子計算僅用很簡單的模型就能做到控制九輛車，可以肯定晶片比特數越多，能控制的車的數量會有指數級提升，這是傳統計算機無法做到的。
量子計算+金融，能夠解決金融領域很多困難和問題，摩根大通和IBM在共同研究抬升定價二次加速量子的算法，還有其他很多銀行非常感興趣的算法。
量子計算+生物醫藥也是非常吸引人的一個方向，在過去一段時間裡有很多公司或者是機關已經在和醫藥方向上的團隊產生一些合作，包括怎麼模擬分子原子的演進。中國的本源量子公司2018年發布了全球第一款量子化學的應用軟體，用來模擬複雜分子結構，未來複雜藥物的合成不需要用一個個試的方法，可以用計算機模擬，縮短研發的時間。
張輝博士說現在我國的量子計算仍在探索階段，以本源量子為例，其主要推進方向是用半導體量子點實現量子計算機，這一研究尚無落地成果，公司現在上線了2量子比特的量子計算雲服務，但其計算能力有限，主要還是展示和推廣作用。
張博士透露2020年本源量子會聯合中科院發布中國首臺量子計算機，大約在20-30量子比特，雖然這與美國仍然有4-5年差距，但是他相信參照現在量子計算的發展速度，未來10-15年我們至少能跟美國同步實現量子計算機的商用落地。
借用中國量子信息實驗室郭國平教授的一句話：現在量子計算就像一個山洞，我們並不知道這個山洞裡是寶藏還是野獸。但美國等發達國家都競相湧進這個山洞，中國人沒有理由不進去，我們也必須要有勇氣進去，看看這個量子計算到底能不能做出來。
— 完 —
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（責任編輯：季麗亞 HN003）
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