李佳師

曾經(jīng)遙不可及的量子計(jì)算，落地的腳步越來(lái)越近。

不久前，IBM全球副總裁兼IBM東京研究院院長(zhǎng)森本典繁（Nomhige Morimoto）在中國(guó)臺(tái)北舉行的IBM Think峰會(huì)開(kāi)幕上表示，公司準(zhǔn)備在未來(lái)三到五年內(nèi)將量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化。

緊接著，6月28日，華為昆侖量子計(jì)算機(jī)一體機(jī)原型機(jī)曝光，可實(shí)現(xiàn)全振幅模擬40量子比特，單振幅模擬最大144量子比特，華為同時(shí)還提供量子變成框架及圖形用戶(hù)界面，華為的最終目標(biāo)是量產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算時(shí)代真的要來(lái)了嗎？量子計(jì)算從實(shí)驗(yàn)室到落地應(yīng)用還有哪些障礙？

量子計(jì)算還處于基礎(chǔ)階段

有人說(shuō)，量子計(jì)算是一場(chǎng)“燒錢(qián)”的競(jìng)技賽，沒(méi)錢(qián)根本玩不起。為什么燒錢(qián)又遙遠(yuǎn)的量子計(jì)算機(jī)被如此關(guān)注，且業(yè)界巨頭紛紛不吝“錢(qián)”投入到這場(chǎng)競(jìng)技賽中？

世界知名量子計(jì)算科學(xué)家、密西根大學(xué)終身教授、阿里云量子技術(shù)首席科學(xué)家施堯耘認(rèn)為，相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的最大區(qū)別在于：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能按照時(shí)間順序一個(gè)個(gè)地解決問(wèn)題，而量子計(jì)算機(jī)卻可以同時(shí)解決多個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用的運(yùn)算規(guī)則是二進(jìn)制，用O和1記錄信息狀態(tài)。但量子計(jì)算機(jī)由量子狀態(tài)來(lái)描述信息，根據(jù)量子的特性它可以同時(shí)表示多種狀態(tài)，并同時(shí)進(jìn)行疊加運(yùn)算，因而擁有更快速的運(yùn)算方式。

“目前可以看到的量子計(jì)算機(jī)斑用有兩類(lèi)：一類(lèi)是模擬量子系統(tǒng)，在材料科學(xué)、量子化學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域人們需要用大量的計(jì)算資源來(lái)模擬量子系統(tǒng)，量子計(jì)算機(jī)用來(lái)做這樣的計(jì)算最自然最直接;第二類(lèi)是用于助力現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)公司都需要做的計(jì)算，比如機(jī)器學(xué)習(xí)的提速、基于量子硬件的機(jī)器學(xué)習(xí)算法、加速優(yōu)化算法和提高優(yōu)化效果等。”施堯耘說(shuō)。

盡管量子計(jì)算機(jī)“看上去很美”，但是量子計(jì)算機(jī)卻很脆弱?！白畲蟮挠矀撬枰谔囟ǖ牡蜏丨h(huán)境下運(yùn)行，容易受到溫度變化、電氣波動(dòng)或物理震動(dòng)的干擾。低溫問(wèn)題解決不了的話(huà)，就難以民用，甚至也不能保證他們做出的是量子計(jì)算機(jī)?！币晃徊辉敢馔嘎缎彰臉I(yè)內(nèi)人士說(shuō)，“個(gè)人覺(jué)得這東西幾十年后會(huì)成為科學(xué)怪人那種東西，投入巨資、技術(shù)含量極高但是漫啥用?！?/p>

英特爾公司高級(jí)副總裁、CTO兼英特爾研究院院長(zhǎng)Michael CMayberry此前曾表示：“量子計(jì)算可以解決一些現(xiàn)在無(wú)法解決的問(wèn)題，但不會(huì)取代經(jīng)典的CPU，而量子計(jì)算要想大規(guī)模商用還需解決4大問(wèn)題，一是量子糾錯(cuò)，量子位也不完美，如何糾錯(cuò)還無(wú)法解決。

二是如何在本地控制量子位，而不是通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的線(xiàn)纜遙控。三是如何把這些量子位放到一個(gè)物理系統(tǒng)中。四是量子位之間如伺連接。量子計(jì)算確實(shí)還未成熟?！?/p>

而施堯耘認(rèn)為，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)未來(lái)挑戰(zhàn)很多。其中的兩個(gè)重點(diǎn)一是如何防止量子信息丟失及提高量子操作的精確度?，F(xiàn)在大家只關(guān)注比特?cái)?shù)是很不專(zhuān)業(yè)的，如果不把精度提上去，比特越多，整個(gè)芯片越垃圾。理解噪音來(lái)源、優(yōu)化比特和門(mén)操作方案，進(jìn)而提高精度，才是根本問(wèn)題。另外一個(gè)挑戰(zhàn)是低溫電子學(xué)?？刂屏孔颖忍氐倪壿嬆壳胺旁谥评錂C(jī)外面。目前，芯片只有幾個(gè)、十幾個(gè)比特，把導(dǎo)線(xiàn)通到里面問(wèn)題不大。但是如果有幾百、幾千個(gè)比特，那就很難給眾多的導(dǎo)線(xiàn)降溫，把控制電路放在制冷機(jī)里的工作是很有挑戰(zhàn)的前沿問(wèn)題。

就像條條道路通羅馬，但究竟哪一條才是通往羅馬最便捷的路尚未有答案一樣，目前整個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域還處于很基礎(chǔ)的階段，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算歷史上尋找晶體管、電子管的那個(gè)時(shí)代，哪一個(gè)物理載體是最終實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算大規(guī)模計(jì)算的技術(shù)還不清楚。現(xiàn)在業(yè)界關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的角逐有幾大流派，包括拓?fù)淞孔佑?jì)算、超導(dǎo)量子計(jì)算、金剛石NV色心量子計(jì)算等。谷歌、微軟、IBM、英特爾等各大巨頭分別采用不同的技術(shù)路徑，在不同的技術(shù)路線(xiàn)上“狂奔”，看誰(shuí)最先“奔”到羅馬。

量子計(jì)算生態(tài)構(gòu)建成為可能

盡管還有種種問(wèn)題困擾，盡管還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，但這并不能阻止業(yè)界探索量子計(jì)算機(jī)的腳步，因?yàn)楹芏嗍虑榈陌l(fā)生永遠(yuǎn)超過(guò)我們的想象力。微軟全球資深副總裁、人工智能事業(yè)部負(fù)責(zé)人沈向洋曾在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)透露：“微軟15年前開(kāi)始研究量子計(jì)算。關(guān)于量子計(jì)算的應(yīng)用，除了加密，其他應(yīng)用是什么，大家都不清楚，但未來(lái)它一定會(huì)帶來(lái)產(chǎn)業(yè)的顛覆。就像50年前計(jì)算機(jī)出來(lái)，大家也不知道它能做什么—樣?！?/p>

此前，施堯耘在接受媒體采訪時(shí)曾說(shuō)，現(xiàn)在大家對(duì)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)注焦點(diǎn)是量子計(jì)算機(jī)硬件是量子比特?cái)?shù)，但事實(shí)上，僅僅有量子計(jì)算機(jī)裸機(jī)是沒(méi)有意義的。如果沒(méi)有量子算法、量子編譯、量子編程，那么量子計(jì)算機(jī)是無(wú)法發(fā)揮作用的，所以要想讓量子計(jì)算機(jī)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化、工程化，走向落地，就迫切需要發(fā)展量子編程、量子算法。也正因?yàn)槿绱?，?dāng)施堯耘答應(yīng)加盟阿里巴巴集團(tuán)時(shí)就開(kāi)始急切地招收量子體系結(jié)構(gòu)、量子編程語(yǔ)言、量子編譯等領(lǐng)域的稀缺和頂尖人才，目標(biāo)是把量子科學(xué)家工程化，或者把軟件工程師量子化。

基于施堯耘的觀點(diǎn)，我們就能很好地理解IBM啟動(dòng)的量子芯片的云服務(wù)了。它之所以被全球關(guān)注，甚至有人用“引發(fā)量子計(jì)算海嘯”來(lái)形容，原因是它使量子計(jì)算的生態(tài)構(gòu)建成為了可能。

“盡管量子計(jì)算云服務(wù)的主要目標(biāo)人群是科學(xué)家和學(xué)生，但其實(shí)任何想要一睹量子運(yùn)算真容的人都可以試試?！盜BM有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，“我們想讓大眾開(kāi)始擁有另一種思維，開(kāi)始學(xué)習(xí)如何使用量子計(jì)算機(jī)編程。讓外部的程序員和研究者通過(guò)算法來(lái)測(cè)試這塊量子芯片?！睒I(yè)界有評(píng)論認(rèn)為，IBM在量子計(jì)算的推進(jìn)上，走在了前面，從推出到目前為止擁有最多量子比特的計(jì)算機(jī)，到推出量子摩爾定律，再到現(xiàn)在推出量子芯片測(cè)試云服務(wù)，IBM將量子計(jì)算從技術(shù)領(lǐng)先到落地化、工程化已經(jīng)“奔”出了一條初步線(xiàn)路。

關(guān)于IBM的量子計(jì)算機(jī)，前英特爾全球副總裁、RISC-v中國(guó)基金會(huì)主席方之熙在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，這是第一個(gè)可能實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)，正式產(chǎn)品級(jí)的量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該不遠(yuǎn)了。量子計(jì)算機(jī)取代不了現(xiàn)有的通用計(jì)算機(jī)，但對(duì)一些平行運(yùn)算量很大的新興應(yīng)用，如人工智能、區(qū)塊鏈、密碼破解、虛擬貨幣等的應(yīng)用，在云端的影響會(huì)很大。