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量子計算機研制熱潮 量子計算機商用化還有多遠?

2020-04-03 10:47:56  來源:中國科學報

“目前,幾乎所有的量子計算公司都還不能在主營的量子計算業務上贏利,量子計算機距離商用化還有一段路要走。”

3月28日,在由中國計算機學會青年計算機科技論壇(CCF YOCSEF)主辦的技術論壇上,由中國科學院量子信息重點實驗室孵化的合肥本源量子計算科技有限責任公司副總裁張輝如是說。

2019年,量子計算經歷了高光的一年:IBM公布全球首款20個比特的商用量子計算原型機,并向全球出售;谷歌的量子計算機僅用53位專用的量子芯片就解決了一個數學問題,宣告在全球首次實現“量子霸權”;微軟、阿里巴巴等IT企業成立的量子計算實驗室也成果迭出……

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

這意味著到2025年,其量子計算機的速度將提高10萬倍。這一數字遠高于谷歌此前設立的100萬個量子比特的“小”目標。

我們距離量子計算機的商業化應用還有多遠呢?

未知的“山洞”

近幾年,幾乎每隔一段時間全球就有一個量子計算領域的“重大進展”。

作為中國科學院院士郭光燦的學生,張輝回憶,郭光燦曾在教學過程中把量子計算比作一個山洞,人們并不知道這個山洞里究竟是寶藏還是猛獸,但中國的科研人員一定要有勇氣沖進去,看看它到底長什么樣,能不能做出來。

正是這種對未知的向往引發了量子計算機研制的熱潮。

在人工智能、智慧交通、金融、生物醫藥、航空航天等領域,量子計算機都展現出巨大的應用空間。

“盡管很多應用還處于研究階段,但量子計算機的兩大優勢已經顯現。”

張輝介紹,一是量子計算機對海量數據并行運算能力的指數級提升,可以顯著提升數據搜索、處理、分析的能力;二是量子計算機可以編譯在電子、原子等微觀粒子上,它可以自然地模擬自然界原子、分子演進的過程,可以用來研究新材料、發現新藥物。

張輝認為,量子計算機的主要應用方向是替代現在的超級計算機。

“目前個人必須使用量子計算機來解決的需求很少,我們經常開玩笑說,誰也不會用量子計算機去打游戲。因為經典計算機的體驗感已經足夠好,量子計算機用不著來做這樣的工作。”張輝說。

在他看來,能在短期內實現應用的是利用量子計算機解決城市交通擁堵問題,讓量子計算機優化復雜的交通狀況。

“十幾年前,包括郭光燦院士在內的很多專家認為,研發量子計算機至少需要50年時間,如今再問及該問題,郭光燦院士說量子計算機的發展比他想象得快太多。原來處于理論和想象狀態的內容,今天很多都已經實現。”張輝說。

底層物理載體之困

很多人擔心量子計算機的出現,會威脅當前的密碼體系,我們的密碼可能因為量子計算機的超強計算能力而不安全了。

其實就目前幾十個比特量子芯片的水準,破解密碼非常困難。

“如果按目前已知的量子算法來看,真正產生實際應用價值可能需要100萬個比特的規模。”騰訊量子實驗室高級研究員鄭亞銳說。

整體看,量子計算機的理論體系已基本完備,但最底層的物理載體還沒有達成一致標準。

張輝打了個比方,量子計算機還處在非常早期的階段,和經典計算機類比,今天的量子計算機處在當年經典計算機的電子管時代。

量子計算機和經典電子計算機非常相似,量子計算機也有芯片、CPU,類似經典計算機的主板系統、軟件,以及可以開發出各種各樣量子應用的語言、算法。

曾有第三方機構對量子計算機商用作出預測,第一階段是量子計算原型機的開發以及實現“量子霸權”;第二階段是設計專用級量子計算機芯片,解決特定行業的特定問題,幫助實現特定領域的商業應用;第三階段是研制真正的通用量子計算機。

“谷歌的量子計算機已經展示出人類控制復雜量子計算的水平,就是說人類已經能夠制造出較好的量子芯片,而且可以非常靈活地控制它,看到它的價值。”鄭亞銳說。

但不可否認的是,還沒有找到一個非常完美的物理體系開發量子計算機,因為目前在研的量子芯片物理體系大部分都沒有達到科學家們公認的量子計算的5項指標,包括量子比特的初始化能力、擴展能力、可控能力、穩定能力和被測量能力。

業內專家普遍認為當前首要任務是尋找合適的材料來實現量子計算。

張輝表示,包括超導、半導體固態器件、離子阱等多種技術路線都展現出各自的優劣,但現在還沒有定論說哪個最好。

也就是說,沒有任何一條技術路線能解決所有現實問題。

而且,量子計算機研制的門檻非常高,一般的創業公司或團隊很難進入。該領域的人才也非常缺乏。

重重困難待突破

到底怎樣才算實現了量子計算機的實用化?其標準是什么?國防科技創新研究院研究員強曉剛認為,最起碼應該針對某一類問題,或某一類應用展示出超越經典計算機,甚至超級計算機的性能。

2018年,谷歌宣稱要在10年內實現100萬個量子比特,實現量子計算機的商業應用。

鄭亞銳認為這一說法稍顯激進。

“目前,針對各家發布的芯片眾說紛紜,大眾更關注比特數目。實際上,影響量子芯片性能的不只是比特數目這一指標,還包括保真度、退相干時間等。不過,谷歌的投資非常大,所以不排除在10年內實現量子計算機商業應用的可能。”鄭亞銳說。

強曉剛也認為,多長時間實現量子計算機的商業應用取決于我們投入多大的努力,特別是需要計算機專家、工程專家的加入,共同推動這一研究。

同時,上述指標對如何讀取量子比特、如何控制量子系統,如何糾錯保證量子系統的高精度具有重要意義。

業界也需要制定統一的標準,對各種開發量子計算機的方式進行性能評估。

“據我所知,目前有幾家公司和團隊已經在使用這樣一個復合標準去衡量他們的研究成果,但該評價體系尚未得到業界的廣泛認同。10年或許是量子計算機實現商用級應用的最短時間。”張輝說。

鄭亞銳表示,實現量子計算機商用化過程中困難重重。以量子比特為例,其數量提升路徑尚不明確,目前僅僅實現了幾十個,要達到百萬個還有很長的路要走。

從根源上來說,業界需要從材料和工藝兩方面進行改進。

“量子計算機不一定要去挑戰經典電子計算機,研究人員完全可以考慮協同兩種計算機的優勢,或許能夠突破以前單純靠電子計算機做起來比較困難的事情。”鄭亞銳說。

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