“目前，幾乎所有的量子計(jì)算公司都還不能在主營(yíng)的量子計(jì)算業(yè)務(wù)上贏利，量子計(jì)算機(jī)距離商用化還有一段路要走。”

3月28日，在由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)青年計(jì)算機(jī)科技論壇(CCF YOCSEF)主辦的技術(shù)論壇上，由中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孵化的合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司副總裁張輝如是說。

2019年，量子計(jì)算經(jīng)歷了高光的一年：IBM公布全球首款20個(gè)比特的商用量子計(jì)算原型機(jī)，并向全球出售;谷歌的量子計(jì)算機(jī)僅用53位專用的量子芯片就解決了一個(gè)數(shù)學(xué)問題，宣告在全球首次實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”;微軟、阿里巴巴等IT企業(yè)成立的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室也成果迭出……

3月4日，探索量子計(jì)算十余年的霍尼韋爾公司表示，未來10年計(jì)劃每年將量子計(jì)算機(jī)的性能提高10倍。

這意味著到2025年，其量子計(jì)算機(jī)的速度將提高10萬倍。這一數(shù)字遠(yuǎn)高于谷歌此前設(shè)立的100萬個(gè)量子比特的“小”目標(biāo)。

我們距離量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用還有多遠(yuǎn)呢?

未知的“山洞”

近幾年，幾乎每隔一段時(shí)間全球就有一個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域的“重大進(jìn)展”。

作為中國(guó)科學(xué)院院士郭光燦的學(xué)生，張輝回憶，郭光燦曾在教學(xué)過程中把量子計(jì)算比作一個(gè)山洞，人們并不知道這個(gè)山洞里究竟是寶藏還是猛獸，但中國(guó)的科研人員一定要有勇氣沖進(jìn)去，看看它到底長(zhǎng)什么樣，能不能做出來。

正是這種對(duì)未知的向往引發(fā)了量子計(jì)算機(jī)研制的熱潮。

在人工智能、智慧交通、金融、生物醫(yī)藥、航空航天等領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用空間。

“盡管很多應(yīng)用還處于研究階段，但量子計(jì)算機(jī)的兩大優(yōu)勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)。”

張輝介紹，一是量子計(jì)算機(jī)對(duì)海量數(shù)據(jù)并行運(yùn)算能力的指數(shù)級(jí)提升，可以顯著提升數(shù)據(jù)搜索、處理、分析的能力;二是量子計(jì)算機(jī)可以編譯在電子、原子等微觀粒子上，它可以自然地模擬自然界原子、分子演進(jìn)的過程，可以用來研究新材料、發(fā)現(xiàn)新藥物。

張輝認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用方向是替代現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

“目前個(gè)人必須使用量子計(jì)算機(jī)來解決的需求很少，我們經(jīng)常開玩笑說，誰也不會(huì)用量子計(jì)算機(jī)去打游戲。因?yàn)榻?jīng)典計(jì)算機(jī)的體驗(yàn)感已經(jīng)足夠好，量子計(jì)算機(jī)用不著來做這樣的工作。”張輝說。

在他看來，能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的是利用量子計(jì)算機(jī)解決城市交通擁堵問題，讓量子計(jì)算機(jī)優(yōu)化復(fù)雜的交通狀況。

“十幾年前，包括郭光燦院士在內(nèi)的很多專家認(rèn)為，研發(fā)量子計(jì)算機(jī)至少需要50年時(shí)間，如今再問及該問題，郭光燦院士說量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展比他想象得快太多。原來處于理論和想象狀態(tài)的內(nèi)容，今天很多都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。”張輝說。

底層物理載體之困

很多人擔(dān)心量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，會(huì)威脅當(dāng)前的密碼體系，我們的密碼可能因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的超強(qiáng)計(jì)算能力而不安全了。

其實(shí)就目前幾十個(gè)比特量子芯片的水準(zhǔn)，破解密碼非常困難。

“如果按目前已知的量子算法來看，真正產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用價(jià)值可能需要100萬個(gè)比特的規(guī)模。”騰訊量子實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員鄭亞銳說。

整體看，量子計(jì)算機(jī)的理論體系已基本完備，但最底層的物理載體還沒有達(dá)成一致標(biāo)準(zhǔn)。

張輝打了個(gè)比方，量子計(jì)算機(jī)還處在非常早期的階段，和經(jīng)典計(jì)算機(jī)類比，今天的量子計(jì)算機(jī)處在當(dāng)年經(jīng)典計(jì)算機(jī)的電子管時(shí)代。

量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)非常相似，量子計(jì)算機(jī)也有芯片、CPU，類似經(jīng)典計(jì)算機(jī)的主板系統(tǒng)、軟件，以及可以開發(fā)出各種各樣量子應(yīng)用的語言、算法。

曾有第三方機(jī)構(gòu)對(duì)量子計(jì)算機(jī)商用作出預(yù)測(cè)，第一階段是量子計(jì)算原型機(jī)的開發(fā)以及實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”;第二階段是設(shè)計(jì)專用級(jí)量子計(jì)算機(jī)芯片，解決特定行業(yè)的特定問題，幫助實(shí)現(xiàn)特定領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用;第三階段是研制真正的通用量子計(jì)算機(jī)。

“谷歌的量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)展示出人類控制復(fù)雜量子計(jì)算的水平，就是說人類已經(jīng)能夠制造出較好的量子芯片，而且可以非常靈活地控制它，看到它的價(jià)值。”鄭亞銳說。

但不可否認(rèn)的是，還沒有找到一個(gè)非常完美的物理體系開發(fā)量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)槟壳霸谘械牧孔有酒锢眢w系大部分都沒有達(dá)到科學(xué)家們公認(rèn)的量子計(jì)算的5項(xiàng)指標(biāo)，包括量子比特的初始化能力、擴(kuò)展能力、可控能力、穩(wěn)定能力和被測(cè)量能力。

業(yè)內(nèi)專家普遍認(rèn)為當(dāng)前首要任務(wù)是尋找合適的材料來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。

張輝表示，包括超導(dǎo)、半導(dǎo)體固態(tài)器件、離子阱等多種技術(shù)路線都展現(xiàn)出各自的優(yōu)劣，但現(xiàn)在還沒有定論說哪個(gè)最好。

也就是說，沒有任何一條技術(shù)路線能解決所有現(xiàn)實(shí)問題。

而且，量子計(jì)算機(jī)研制的門檻非常高，一般的創(chuàng)業(yè)公司或團(tuán)隊(duì)很難進(jìn)入。該領(lǐng)域的人才也非常缺乏。

重重困難待突破

到底怎樣才算實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化?其標(biāo)準(zhǔn)是什么?國(guó)防科技創(chuàng)新研究院研究員強(qiáng)曉剛認(rèn)為，最起碼應(yīng)該針對(duì)某一類問題，或某一類應(yīng)用展示出超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，甚至超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能。

2018年，谷歌宣稱要在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)100萬個(gè)量子比特，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)應(yīng)用。

鄭亞銳認(rèn)為這一說法稍顯激進(jìn)。

“目前，針對(duì)各家發(fā)布的芯片眾說紛紜，大眾更關(guān)注比特?cái)?shù)目。實(shí)際上，影響量子芯片性能的不只是比特?cái)?shù)目這一指標(biāo)，還包括保真度、退相干時(shí)間等。不過，谷歌的投資非常大，所以不排除在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)商業(yè)應(yīng)用的可能。”鄭亞銳說。

強(qiáng)曉剛也認(rèn)為，多長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)應(yīng)用取決于我們投入多大的努力，特別是需要計(jì)算機(jī)專家、工程專家的加入，共同推動(dòng)這一研究。

同時(shí)，上述指標(biāo)對(duì)如何讀取量子比特、如何控制量子系統(tǒng)，如何糾錯(cuò)保證量子系統(tǒng)的高精度具有重要意義。

業(yè)界也需要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的方式進(jìn)行性能評(píng)估。

“據(jù)我所知，目前有幾家公司和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在使用這樣一個(gè)復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)去衡量他們的研究成果，但該評(píng)價(jià)體系尚未得到業(yè)界的廣泛認(rèn)同。10年或許是量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)商用級(jí)應(yīng)用的最短時(shí)間。”張輝說。

鄭亞銳表示，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)商用化過程中困難重重。以量子比特為例，其數(shù)量提升路徑尚不明確，目前僅僅實(shí)現(xiàn)了幾十個(gè)，要達(dá)到百萬個(gè)還有很長(zhǎng)的路要走。

從根源上來說，業(yè)界需要從材料和工藝兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

“量子計(jì)算機(jī)不一定要去挑戰(zhàn)經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)，研究人員完全可以考慮協(xié)同兩種計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，或許能夠突破以前單純靠電子計(jì)算機(jī)做起來比較困難的事情。”鄭亞銳說。