原創(chuàng) 洪雨晗 品玩

作者｜洪雨晗

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“光子芯片不會被卡脖，外國不再有先發(fā)優(yōu)勢！”今年夏天，量子計算、量子芯片吸足了人們的眼球。

從六月底的中國量子計算機“祖沖之”打破量子霸權(quán)，到七月上旬世界人工智能大會上首次出現(xiàn)量子相關(guān)的分論壇，有行業(yè)人士在大會期間疾呼：“我們正處在計算能力真正爆發(fā)的前夜，通用量子計算機的時代正在到來?！?/p>

先不談量子霸權(quán)或量子優(yōu)越性是什么，首先，量子究竟是什么？

這個問題可以說困擾著一代又一代的物理學(xué)家們，愛因斯坦1905年提出光量子假說；玻爾1913年提出他的原子結(jié)構(gòu)論；德布羅意1923年提出相波……但量子理論的先驅(qū)們此后都為量子的離奇的特性困擾不已，有關(guān)量子的種種問題，即便是今天從事量子前沿領(lǐng)域研究的科學(xué)家也無法給出具體答案。

量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）曾說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！?/p>

當(dāng)然，這些讓人頭疼的問題就留給科學(xué)家繼續(xù)撓頭去，對于我們普通人來說，我們只關(guān)心量子計算的時代到底真的像不少從業(yè)者說的那樣，馬上就要到來了么？

令普通人產(chǎn)生疑惑的最主要原因，就是當(dāng)下討論“量子霸權(quán)”這種高深的經(jīng)過層層包裝的概念太多，而談?wù)撟罨A(chǔ)信息從而讓大家更了解量子計算機真實“功能”的又太少。

什么是經(jīng)典計算機、什么是量子計算機、為何量子計算如此重要？只有弄清了這些問題，才知道近年來不管是政府、科研機構(gòu)、高校，還是各公司、投資機構(gòu)關(guān)注量子計算的原因，以及量子計算機實現(xiàn)和具體應(yīng)用的難點。

自1946年第一臺電腦發(fā)明至今，人類社會一直追求著更快、更強的計算機性能用來處理海量數(shù)據(jù)，但如今經(jīng)典計算機的摩爾定律迭代已逐漸跟不上人類對算力的追求了。

經(jīng)典計算機的運行機制大家或許都有耳聞，即為經(jīng)典的馮·諾依曼架構(gòu)，傳統(tǒng)計算機是通過集成電路中電路的通斷來實現(xiàn)0、1之間的區(qū)分。傳統(tǒng)馮·諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)的存儲程序方式造成了系統(tǒng)對存儲器的依賴，CPU 訪問存儲器的速度制約了系統(tǒng)運行的速度，更具體一點，芯片的性能（包括但不僅僅是晶體管數(shù)量的多少）決定著計算機的運算速度。

然而，如今芯片先進(jìn)制程面臨著巨大的難題——量子隧穿效應(yīng)帶來的漏電流。該原理已涉及到量子力學(xué)相關(guān)理論，可以簡單理解為當(dāng)材料逼近1nm的物理極限時，有一定的電子可以跨過勢壘，從而漏電。這個問題對于人類來說暫時是無解的，因為物理理論還沒有搞清楚這個現(xiàn)象。

如今，一些科研機構(gòu)和實驗室中已實現(xiàn)2nm芯片的技術(shù)路線，但繼續(xù)走下去無疑需要前沿物理理論的再次突破，這不是短時間能攻克的問題，因此，在人類基礎(chǔ)理論沒有突破性進(jìn)展的情況下，未來更具想象性的量子計算來了。

無法戰(zhàn)勝它便加入它，不少科研人員選擇擁抱量子的特性，使用粒子的特殊量子特性來進(jìn)行計算，一扇新世界的大門也就此展開。如何利用量子的特性來運算呢？為確保準(zhǔn)確，這里引用我國量子光學(xué)的泰斗級人物郭光燦院士的表述。

“量子比特可以制備在兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，它可以同時存儲0和1?？紤]一個 N個物理比特的存儲器，若它是經(jīng)典存儲器，則它只能存儲2^N個可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任一個，若它是量子存儲器，則它可以同時存儲2^N個數(shù)，而且隨著 N的增加，其存儲信息的能力將指數(shù)上升，例如，一個250量子比特的存儲器（由250個原子構(gòu)成）可能存儲的數(shù)達(dá)2^250,比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多。

由于數(shù)學(xué)操作可以同時對存儲器中全部的數(shù)據(jù)進(jìn)行，因此，量子計算機在實施一次的運算中可以同時對2^N個輸入數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運算。其效果相當(dāng)于經(jīng)典計算機要重復(fù)實施2^N次操作，或者采用2^N個不同處理器實行并行操作。可見，量子計算機可以節(jié)省大量的運算資源（如時間、記憶單元等）。”

用更直觀的比喻來說就是，如果要走出一個迷宮，傳統(tǒng)計算機就像一個永不停歇的小人兒，在岔路做出選擇，一條道走到黑，走到頭發(fā)現(xiàn)錯了再回頭重走；而超級計算機也是這個小人，只不過移速更快，效率更高，但本質(zhì)還是一條道走到黑；而量子計算機則完全不同，它的小人是會影分身的小人，每走到一個路口，無需做出選擇，可以自動分出一個自我同時走，這樣的結(jié)果就是效率以指數(shù)級提升。

至于為何量子計算機的小人可以同時走不同的路，背后的原理沒人知道，但科學(xué)家們把一個量子比特既是0又是1的這種現(xiàn)象稱之為量子的疊加態(tài)，其衍化出來的著名實驗有薛定諤的貓以及平行時空/平行宇宙的假設(shè)。

量子計算機在特定運算領(lǐng)域領(lǐng)先經(jīng)典計算機的運算方式用小學(xué)數(shù)學(xué)來講，就是如果要運算a*b*c*d*e*f，經(jīng)典計算機需要先算a*b，然后把其結(jié)果乘以c，再乘以d……得出結(jié)果后繼續(xù)上述步驟，一步一步慢慢來，而量子計算機則是同時運算a*b、c*d、e*f，因此，量子計算機在特定計算上要比經(jīng)典計算機快無數(shù)倍。

到底有多快呢，潘建偉與朱曉波教授帶領(lǐng)的中國科技大學(xué)團(tuán)隊，使用66量子位的超導(dǎo)型量子計算機“祖沖之”處理對隨機量子電路的輸出分布進(jìn)行采樣，用了1.2小時就完成，而當(dāng)前最強大的經(jīng)典超級計算機完成運算則需要8年。

超強的計算能力使量子計算機在未來可以為密碼分析、氣象預(yù)報、石油勘探、藥物設(shè)計等所需的大規(guī)模計算的行業(yè)服務(wù)，并可揭示高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機制，為先進(jìn)材料制造和新能源開發(fā)等奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

這是否意味著量子計算機已經(jīng)全面超越了經(jīng)典計算機呢？答案是否定的。量子計算機雖然有神奇的量子疊加態(tài)可以應(yīng)用，但受制于現(xiàn)階段量子計算機的發(fā)展水平，其實際能用到的場景卻是非常有限的。華為量子計算軟件與算法首席科學(xué)家翁文康在WAIC上的演講中表示，在量子系統(tǒng)仿真、量子化學(xué)、組合優(yōu)化、機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的“專用”量子計算機預(yù)計成熟期為3-5年，而在大數(shù)分解、數(shù)據(jù)庫搜索、量子動力學(xué)、量子人工智能等領(lǐng)域“通用”量子計算機預(yù)計成熟期可能需要10年甚至更久。

可以說現(xiàn)在所有的量子計算機仍只是專用計算機，無法像經(jīng)典計算機一樣解決通用性的問題。如，去年我國轟動一時的量子計算機“九章”，其設(shè)計出來就是為了“求解高斯玻色取樣”，在此類專項問題求解上非?？欤谧銎渌挠嬎闳蝿?wù)或許還沒有我們手中的電腦、手機快。

要解決量子計算機的通用性難題并不容易，Intel院士、研究院院長Rich Uhlig曾做過一個估算，“只有在數(shù)百個甚至數(shù)千個量子位可靠運行的情況下，量子計算機才能比超級計算機更快地解決實際問題?！北谪鹂萍紕?chuàng)始人、董事長、CEO張文認(rèn)為，量子計算在實用性、成本和軟件上依然存在瓶頸，需進(jìn)一步提升量子比特數(shù)和量子糾錯能力，量子計算機才有成功商用的可能。

但現(xiàn)在量子芯片還處在數(shù)十個量子比特的一段，加上量子比特的操縱還是業(yè)界的難題，離商用水平還為時過早，導(dǎo)致大規(guī)模的量子算法還沒有可以承載運行的平臺。

在今年的WAIC上，圖靈量子創(chuàng)始人金賢敏教授在接受媒體采訪時表示，實現(xiàn)通用量子計算機有三個前提——百萬量子比特的操縱能力、低環(huán)境要求、高集成度。他認(rèn)為光量子路徑是唯一能夠滿足這些條件的技術(shù)體系，是通向大規(guī)模通用量子計算的最可行路徑。

量子計算有不同的實現(xiàn)路徑，如“祖沖之”是超導(dǎo)量子計算，“九章”是光量子計算，除了超導(dǎo)和光量子計算，離子阱方案、核磁共振方案、金剛石方案、超冷原子方案、拓?fù)浔忍胤桨傅鹊取?/p>

金賢敏教授則對光量子計算機的商業(yè)落地持樂觀態(tài)度。他表示兩年前大家認(rèn)為需要10~15年量子霸權(quán)才有可能會實現(xiàn)，結(jié)果2019年谷歌、2020年中國都紛紛實現(xiàn)了量子霸權(quán)，所以現(xiàn)在大家覺得遙遠(yuǎn)的技術(shù)體系突破和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的落地可能會比預(yù)想中來得更快。

當(dāng)然，量子霸權(quán)僅代表量子計算機在解決某些特定問題上的能力超越了任何經(jīng)典計算機，但“量子霸權(quán)”其實只是量子計算機發(fā)展的一個階段，此時的量子計算機仍屬于專用機范疇，要想量子計算種種“夢幻般”的應(yīng)用真正落地，恐怕還有不短的路需要走。

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原標(biāo)題：《只談“量子霸權(quán)”不談量子計算到底能干啥的，都是耍流氓》

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