【摘要】由于現(xiàn)有半導(dǎo)體微電子技術(shù)物理極限的原因，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展?jié)u漸接近其極限，而具有強(qiáng)大并行處理能力的量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展隨之成為現(xiàn)實(shí)需求。然而，通常外部環(huán)境會(huì)對(duì)量子計(jì)算的基本單位量子比特產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生量子衰減而導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。面臨上述技術(shù)難題，全球出現(xiàn)了基于超低溫超導(dǎo)材料、離子阱技術(shù)、微電子制造技術(shù)和通過量子糾纏來獲取信息的四種技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑之爭(zhēng)。如何建造一臺(tái)大型容錯(cuò)的通用量子計(jì)算機(jī)并將其應(yīng)用于完成實(shí)際任務(wù)，同時(shí)帶來收益，具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)性與風(fēng)險(xiǎn)。量子計(jì)算機(jī)被稱為“21世紀(jì)的星球大戰(zhàn)計(jì)劃”，它的實(shí)現(xiàn)可以帶來信息技術(shù)的革命性變化。從歷史上看，一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步取決于對(duì)該技術(shù)投入的人力和資金的多少。當(dāng)前，各經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)量子研究的投入持續(xù)增長(zhǎng)，已開始進(jìn)行國(guó)家層面的指數(shù)級(jí)投資。
【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算機(jī) 技術(shù)路線 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn) 戰(zhàn)略投資
【中圖分類號(hào)】TP30 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.010
李聯(lián)寧，西安交通大學(xué)城市學(xué)院教授。研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、量子計(jì)算機(jī)。主要著作有《量子計(jì)算機(jī)——穿越未來世界》《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)教程》《物聯(lián)網(wǎng)安全導(dǎo)論》《網(wǎng)絡(luò)工程》《大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用教程》等。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展逐漸走向停滯
當(dāng)近代半導(dǎo)體芯片技術(shù)的發(fā)展使得每個(gè)晶體管縮小到只容納一個(gè)電子時(shí)，按照傳統(tǒng)模式，此技術(shù)將達(dá)到控制電子的物理極限。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已逐漸走向停滯。
摩爾定律走到了盡頭：近20年芯片速度幾乎沒有提升。從1958年第一個(gè)僅包含一個(gè)雙極性晶體管的集成電路問世，到如今集成十幾億晶體管的處理器芯片的應(yīng)用，集成電路在60多年的時(shí)間里發(fā)展迅速。我們現(xiàn)在使用的手機(jī)的性能已經(jīng)相當(dāng)于30年前的Cray-2超級(jí)計(jì)算機(jī)了。如此巨大的發(fā)展速度的背后是什么規(guī)律呢？要說清楚這個(gè)問題，我們就不得不提到芯片產(chǎn)業(yè)最著名的金科玉律——摩爾定律。
摩爾定律由戈登·摩爾（Gordon Moore）于1965年在《電子學(xué)》雜志中提出。在觀察了當(dāng)時(shí)晶體管制造工藝的發(fā)展之后，摩爾提出：同面積的集成電路上可容納的晶體管數(shù)量會(huì)以每年增加一倍的速度發(fā)展。10年之后，摩爾根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況對(duì)摩爾定律做了第一次修正，將每年增加一倍改為每?jī)赡暝黾右槐?。然而，摩爾定律畢竟是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，半導(dǎo)體行業(yè)在摩爾定律的指導(dǎo)下一直發(fā)展到2013年。其后，行業(yè)組織對(duì)摩爾定律進(jìn)行了第二次修正，將之前每?jī)赡攴兜陌l(fā)展速度改為每三年翻倍。這次的修正從工程的角度來看至少有四個(gè)原因。
首先是工藝的極限。半導(dǎo)體制造工藝中主要工藝之一是光刻。這種工藝在理論上受到分辨率的限制，即由于可見光的波動(dòng)性使其可以發(fā)生衍射，光束不能無限聚焦。要實(shí)現(xiàn)更小的工藝，就要用到波長(zhǎng)更短的激光，而短波長(zhǎng)的激光利用起來本就非常復(fù)雜。因此，把單個(gè)晶體管做到更?。丛谕娣e的集成電路上容納更多的晶體管）變得異常困難。
其次是內(nèi)部連接的極限。隨著單位面積集成電路中的晶體管越來越多，內(nèi)部連接成了集成電路中越來越重要的部分。內(nèi)部連接要么做到快速的信號(hào)傳輸，要么做到盡量細(xì)的銅線和密集的排布，但魚和熊掌不可能兼得。因?yàn)楦?xì)的銅線會(huì)產(chǎn)生更大的銅線電阻，而更密集的排線也會(huì)造成銅線間電流相互影響的加大。所以，即便晶體管能夠越做越小，如何在保證快速信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)加入更多的內(nèi)部連接也成為一個(gè)非常棘手的問題。
再次是傳統(tǒng)晶體管的設(shè)計(jì)極限。當(dāng)晶體管尺寸做到10納米（nm）的時(shí)候，晶體管的柵氧化層只有幾個(gè)原子的厚度。在這個(gè)尺度下至少會(huì)有三個(gè)問題。其一，在量子隧穿效應(yīng)的影響下，晶體管的性質(zhì)將變得很不穩(wěn)定。其二，由于各個(gè)晶體管的制造過程不可能完全一樣，因此不同晶體管會(huì)有不同的特性，而不同的特性在納米級(jí)的尺度下會(huì)更加明顯。其三，晶體管將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的漏電。這在移動(dòng)設(shè)備普遍使用的今天是一個(gè)相當(dāng)大的問題。
最后一個(gè)要提到的是技術(shù)投入的極限。新科技的研發(fā)需要大量的資金和時(shí)間，即便研發(fā)成功，公司的技術(shù)人員也需要投入大量的精力去學(xué)習(xí)并使用這些新技術(shù)。這就導(dǎo)致很多中小芯片制造商無力承擔(dān)這項(xiàng)技術(shù)投入，而選擇繼續(xù)使用老技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)加工。[1]
多核的陷阱：一直在“偷懶”的芯片。早在1971年，英特爾就推出了首個(gè)商用但速度僅有740kHz的計(jì)算機(jī)芯片。在此之后，芯片速度得到了迅速提高，在不到30年后的2000年已經(jīng)突破2GHz，實(shí)現(xiàn)了近3000倍的增長(zhǎng)。然而2000年似乎成為芯片速度提高的一個(gè)坎，直到今天，市場(chǎng)上多數(shù)處理器的速度仍在3GHz左右徘徊。
2001年，IBM（International Business Machines Corporation）制造出了世界上第一個(gè)雙核處理器，使得兩個(gè)低速度、低功耗的處理器可在性能方面與當(dāng)下單個(gè)高速度的處理器相匹敵，并由此開辟了并行化體系結(jié)構(gòu)的市場(chǎng)。2004年，英特爾在AMD發(fā)布了其第一個(gè)雙核處理器后，更是宣布取消其對(duì)4GHz處理器的研究，轉(zhuǎn)而與同行一起投入到多核處理器的研發(fā)當(dāng)中。由此，計(jì)算機(jī)芯片的發(fā)展從之前的更高速的單核研究轉(zhuǎn)變到同等甚至低速的多核研究。究其原因，主要是更高速的處理器的功耗和散熱已經(jīng)達(dá)到了不可忽視的地步。
2013年，在第二次修正摩爾定律的同年，功耗成為計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。當(dāng)晶體管的尺寸越做越小時(shí)，量子隧穿效應(yīng)（指電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢(shì)壘）產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象帶來了越來越大的熱能轉(zhuǎn)換，使得芯片的散熱成為急需解決的問題。于是，芯片制造商們紛紛停止高頻芯片的研發(fā)，轉(zhuǎn)而開始研究低頻多核的架構(gòu)。這才有了從2001年出現(xiàn)的第一個(gè)雙核芯片到現(xiàn)在普遍家用電腦的4核芯片，再到如今英特爾最新架構(gòu)上的64核芯片的發(fā)展。
然而，從單核向多核的發(fā)展并沒有從根本上解決問題。因?yàn)樾酒圃焐虄H僅是停止了高頻單核的研發(fā)，但并未停止往同面積的集成電路內(nèi)加入更多的晶體管。在晶體管越做越小并因晶體管漏電而導(dǎo)致芯片發(fā)熱越來越嚴(yán)重的今天，芯片制造商們又是如何解決功耗以及散熱的問題呢？答案是，沒有解決。
為了在現(xiàn)有的散熱技術(shù)上保證芯片不至于過熱和功耗不至于過大，如今多核芯片中已經(jīng)有一部分不能和其余部分同時(shí)使用。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，對(duì)于一個(gè)65納米下的4核處理器，額定功耗允許其4個(gè)核同時(shí)全速工作?，F(xiàn)在當(dāng)工藝縮小到32納米時(shí)，等面積的處理器能容下16核，但是能夠同時(shí)工作的仍然只有4個(gè)核，而不能和其他部分同時(shí)使用的12個(gè)核被稱為“暗硅”。按照如今的發(fā)展速度，現(xiàn)代處理器的“暗硅”部分很快就能大到99%。也就是說，按照如今的發(fā)展，不久之后的芯片，即便性能再好，在同一時(shí)間能夠利用的也只是1%。[2]
阿姆達(dá)爾定律：程序并行化的極限。下面我們暫時(shí)拋開硬件，從軟件程序的角度解釋系統(tǒng)并行化的極限。多核芯片處理的問題在于：在此之前的絕大多數(shù)程序都是按照串行算法開發(fā)的，而這些程序還不能很好地在多核芯片上并行執(zhí)行。因?yàn)檎麄€(gè)程序里并沒有啟用多余的核進(jìn)行處理，而這些多余的核在大多數(shù)時(shí)間里也都是閑置的。于是學(xué)術(shù)界和廠商開始了又一波對(duì)并行化的研究。他們一部分人希望通過設(shè)計(jì)新的編程語(yǔ)言，讓程序員人工提高程序的并行度；另一部分人則希望通過對(duì)編譯器的優(yōu)化，使編譯器自動(dòng)識(shí)別程序中可并行的部分并生成可并行的二進(jìn)制碼。然而雙方的成效都非常有限。
可并行的編程語(yǔ)言需要程序員有并行的編程思維，而這多多少少有違人類本身的邏輯思維方式。同時(shí)，并行語(yǔ)言為程序調(diào)試帶來了很大挑戰(zhàn)。因此，大規(guī)模的并行程序開發(fā)相當(dāng)困難。與此同時(shí)，編譯器能在程序中找到的可并行部分也相當(dāng)有限，這也使得自動(dòng)并行化的效率非常之低。這么看來，多核芯片真的是一個(gè)好的決定嗎？程序的并行極限又在哪里呢？要解釋這些問題，我們便不得不提到計(jì)算機(jī)科學(xué)界的另一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則——阿姆達(dá)爾定律。
阿姆達(dá)爾定律于1967年由IBM360系列機(jī)的主要設(shè)計(jì)者吉恩·阿姆達(dá)爾（Gene Amdahl）提出。該定律首先將一個(gè)程序分成可并行和不可并行兩部分，并指出程序中對(duì)某一部分進(jìn)行并行后所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度取決于并行部分被使用的頻率或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例。換句話說，在并行計(jì)算中用多核處理器對(duì)單個(gè)程序的加速受限于該程序所需的串行時(shí)間百分比。比如，一個(gè)程序中如果有一半是不能被并行的，那么即便有無限核的處理器，該程序能得到的最大加速比也只是兩倍。如果同時(shí)考慮邏輯門和銅線連接的延遲，則可并行化的加速上限將在一個(gè)更低卻更現(xiàn)實(shí)的高度。同時(shí)，在銅線延遲開始超過邏輯門延遲的今天，信號(hào)已經(jīng)無法在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被傳達(dá)到芯片的所有地方。
當(dāng)然，研究領(lǐng)域里也不乏試圖再次突破現(xiàn)有體系所帶來的物理極限的嘗試。其中最大的項(xiàng)目要數(shù)對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究。從底層電路到計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，再到上層的算法設(shè)計(jì)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都投入了大量精力進(jìn)行研究。
量子計(jì)算是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然?；谇懊嫠撌龅膫鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)面臨的極限，當(dāng)下計(jì)算機(jī)的研究越來越多地跳出了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的范疇。人類早就在尋求開發(fā)新一代計(jì)算機(jī)，比如光子計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)以及量子計(jì)算機(jī)。這兩年比較火的是量子計(jì)算機(jī)，與硅基計(jì)算機(jī)使用0、1做運(yùn)算只能表示2個(gè)狀態(tài)不同，量子計(jì)算機(jī)利用的是量子學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理，使用量子比特（qubit）計(jì)算，它的并行計(jì)算性能異常強(qiáng)大，可以處理普通計(jì)算機(jī)處理不了的計(jì)算。
量子計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生
量子力學(xué)（Quantum Mechanics）是物理學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)分支，專門研究微小粒子所具有的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，它為新的計(jì)算模式提供了基礎(chǔ)。量子計(jì)算（Quantum Computing）在20世紀(jì)80年代初被首次提出，主要是借助微小的“量子”行為改進(jìn)計(jì)算模型。當(dāng)時(shí)人們研究量子計(jì)算機(jī)的初衷是模擬量子現(xiàn)象，服務(wù)物理學(xué)。當(dāng)使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，由于龐大的數(shù)據(jù)分析使得一次模擬所需運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)，甚至可能窮盡科學(xué)家一生也看不到一次完整的結(jié)果。于是量子計(jì)算機(jī)研究應(yīng)運(yùn)而生。
量子計(jì)算機(jī)是一種完全不同的計(jì)算模式。量子計(jì)算機(jī)不只是更快的計(jì)算機(jī)，更是一種完全不同的計(jì)算范式，需要進(jìn)行一些徹底的重新思考。在高等數(shù)學(xué)里，通過坐標(biāo)變換可以將某一對(duì)象（例如一個(gè)矢量）所處的不同坐標(biāo)系進(jìn)行連接。量子力學(xué)應(yīng)用于量子計(jì)算技術(shù)，可以用“幺正變換”（從一個(gè)表象到另一個(gè)表象的變換）來表示。這有點(diǎn)像到醫(yī)院做了一次超聲波檢查，是在一個(gè)聲學(xué)的象限；又做了一次CT電子計(jì)算機(jī)斷層掃描檢查，是在一個(gè)電子的象限。它們是從不同的層次和斷面來看同一個(gè)事物的不同側(cè)面，而且可以互相轉(zhuǎn)換。在這個(gè)意義上，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算只是量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的一個(gè)特例。
量子計(jì)算機(jī)的類型。量子計(jì)算機(jī)可分三大類：其一，模擬量子計(jì)算機(jī)，它直接操作量子比特之間的相互作用，而不把其行為分解成基本的門操作，包括量子退火器、絕熱量子計(jì)算機(jī)和直接量子模擬器等。其二，數(shù)字NISQ計(jì)算機(jī)（Noisy Intermediate-Scale Quantum），含噪聲的中型量子計(jì)算機(jī)，它使用物理量子比特上的基本門操作，執(zhí)行一種特殊的算法。但是，這兩種機(jī)器都存在噪聲，這個(gè)缺點(diǎn)將限制這些計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜的問題。其三，完全誤差校正量子計(jì)算機(jī)，它是基于門的量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)版本，通過部署量子誤差校正，使有噪聲的量子比特模擬穩(wěn)定的邏輯量子比特，以便計(jì)算機(jī)在任何計(jì)算中都能可靠地工作。
量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的階段性成果。量子計(jì)算的第一個(gè)里程碑是小型專用NISQ計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。小型NISQ計(jì)算機(jī)是2017年由John Preskill提出的在未來幾年將擁有50～100量子比特的機(jī)器，但其中還是有數(shù)十個(gè)量子比特的錯(cuò)誤無法修正。它所使用的量子退火技術(shù)的研究大約在其出現(xiàn)的10年前就開始了。第二個(gè)里程碑是獲得“量子霸權(quán)”（超越50量子比特），即完成一項(xiàng)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上難以完成的任務(wù)（暫且不討論這項(xiàng)任務(wù)是否具有實(shí)用價(jià)值）。2019年，在幾個(gè)團(tuán)隊(duì)的不斷努力下，這一目標(biāo)得到實(shí)現(xiàn)。第三個(gè)重要的里程碑就是創(chuàng)造一個(gè)商業(yè)上有用的量子計(jì)算機(jī)，這要求量子計(jì)算機(jī)比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)更有效地執(zhí)行至少一個(gè)實(shí)際任務(wù)。在理論上實(shí)現(xiàn)這一里程碑比實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”更困難，因?yàn)樗璧膽?yīng)用程序必須比現(xiàn)有的經(jīng)典方法更好、更有用。第四個(gè)重要里程碑是在量子計(jì)算中部署量子誤差校正以創(chuàng)建邏輯量子比特，從而顯著的降低錯(cuò)誤率，這也是創(chuàng)建完全誤差校正機(jī)器的第一步。
超高速量子計(jì)算機(jī)可能的具體應(yīng)用有：加速新藥物的研制，破解最復(fù)雜的密碼安全系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新材料，模擬氣候變化，以及實(shí)現(xiàn)超級(jí)人工智能。然而，目前業(yè)內(nèi)還沒有就如何研發(fā)量子計(jì)算機(jī)達(dá)成共識(shí)，對(duì)于其將如何用于大眾市場(chǎng)也尚未意見統(tǒng)一。[3]
各國(guó)科技巨頭的競(jìng)爭(zhēng)
目前，基于超導(dǎo)電路的量子比特和基于量子阱的量子比特研究取得一定進(jìn)展，但其電路體積較大，使得大數(shù)目量子比特的集成面臨很大困難，進(jìn)而影響到量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用。
制約量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的主要因素。自上世紀(jì)80年代有了相關(guān)概念以來，一些計(jì)算機(jī)專家和物理學(xué)家就將量子計(jì)算機(jī)設(shè)為其研究的終極目標(biāo)。然而，由于量子點(diǎn)具有天然的不穩(wěn)定性，迄今為止人類在該領(lǐng)域仍未能有較大突破。制約量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的三大因素分別是：量子的精度問題、量子擴(kuò)展性問題、量子微秒級(jí)處理時(shí)間問題。
首先，量子的精度問題。例如，普通計(jì)算機(jī)在計(jì)算1+1等于幾時(shí)，基本不會(huì)出錯(cuò)，而量子計(jì)算機(jī)由于量子精度不高的原因，可能運(yùn)算1千次1+1的問題時(shí)，就有一次答案會(huì)出錯(cuò)。其次，量子擴(kuò)展性的問題?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)的量子比特位數(shù)越高，由于外界環(huán)境的影響，整體運(yùn)算精度就會(huì)相應(yīng)大幅下降，這也是各國(guó)力爭(zhēng)不斷增加各自量子計(jì)算機(jī)的量子比特位數(shù)以增加計(jì)算成功率的原因。第三，各國(guó)在研制量子計(jì)算機(jī)中遇到的最難問題——量子微秒級(jí)處理時(shí)間問題。由于量子之間存在相互影響，量子數(shù)據(jù)會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)“損壞”，也就是說，在使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)，必須在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算，并將計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)出。
近年量子信息技術(shù)發(fā)展情況。量子信息技術(shù)主要包括三個(gè)方面：量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，在量子計(jì)算方面，美國(guó)最強(qiáng)，歐洲次之；在量子通信上，中國(guó)領(lǐng)先，歐洲次之；在量子精密測(cè)量上，歐洲是老大，其次是美國(guó)，中國(guó)弱一些。
2017年4月，量子集成化記錄是谷歌（Google）的9量子比特；同年10月，英特爾（Intel）宣布制造出17量子比特的量子芯片；11月，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）宣布成功研制50量子比特原型機(jī)；2018年1月，英特爾宣布成功設(shè)計(jì)、制造和交付49量子比特的超導(dǎo)測(cè)試芯片；同年3月，谷歌宣布成功制造72比特的超導(dǎo)集成量子計(jì)算機(jī)。短短1年多時(shí)間，竟然取得了如此巨大的成績(jī)！不過，現(xiàn)在實(shí)際能夠工作的超導(dǎo)集成量子計(jì)算機(jī)只有IBM的20量子比特、Rigetti Computing公司的19量子比特、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的12量子比特、阿里巴巴的11量子比特、谷歌的9量子比特計(jì)算機(jī)。2018年12月后，先后出現(xiàn)的谷歌、IBM、英特爾的49～72量子比特的“中規(guī)模量子計(jì)算機(jī)”仍在評(píng)價(jià)之中。
當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，谷歌、IBM、英特爾、Rigetti Computing四家公司正在著力提高集成化，緊追其后的是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、阿里巴巴、微軟。從現(xiàn)在業(yè)界的信息來看，很多公司將“超導(dǎo)集成量子計(jì)算機(jī)”作為后續(xù)商業(yè)化的重心。與此相對(duì)抗的還有硅基（Intel、Silicon Quantum Computing、日立等公司）、離子阱（IonQ、Alpine Quantum Technology、Honeywell等公司）、馬約拉納粒子（Microsoft、NOKIA等公司）、光子（Xanadu等公司）等平臺(tái)。今后量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域會(huì)朝著哪個(gè)方向發(fā)展，目前無法給出進(jìn)一步預(yù)測(cè)。
量子計(jì)算領(lǐng)域尚未就比較不同量子計(jì)算機(jī)的最佳方式達(dá)成一致，特別是那些建立在不同技術(shù)上的量子計(jì)算機(jī)。盡管IBM和谷歌都在使用超導(dǎo)體來創(chuàng)建它們的量子比特，但另一種方法依賴于捕獲離子，即讓帶電原子懸浮在真空中，并由激光束操縱。IBM提出了一種稱為“量子體積”的度量標(biāo)準(zhǔn)，其中包括諸如量子比特執(zhí)行計(jì)算的速度以及它們避免或糾正錯(cuò)誤的能力等因素。
量子計(jì)算是具有革命性的下一代計(jì)算技術(shù)，當(dāng)前，各國(guó)量子計(jì)算模型的設(shè)計(jì)都比較成熟，但也都面臨其所依托物質(zhì)的困境。量子計(jì)算機(jī)需要依托超導(dǎo)物質(zhì)、超導(dǎo)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)并運(yùn)作。然而目前，幾乎所有國(guó)家都缺乏可實(shí)用的超導(dǎo)材料。雖然表面上各國(guó)在研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)的量子比特上存在一定差距，但實(shí)際上，各國(guó)量子計(jì)算技術(shù)都遠(yuǎn)未達(dá)到可以商業(yè)化的水平。
各國(guó)量子科技力量的競(jìng)爭(zhēng)。（1）美國(guó)。美國(guó)是研發(fā)量子計(jì)算機(jī)較早的國(guó)家之一。很多美國(guó)跨國(guó)公司是量子計(jì)算研究的主要力量。作為行業(yè)領(lǐng)頭羊，谷歌選擇了超導(dǎo)回路技術(shù)。超導(dǎo)回路是量子計(jì)算領(lǐng)域近期發(fā)展最快的方向，IBM也已為此投入大量資金。另一科技巨頭微軟（Microsoft）則選擇了一個(gè)尚未得到驗(yàn)證的方向：拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>
量子比特?cái)?shù)量是這些公司的競(jìng)逐重點(diǎn)。谷歌目前研發(fā)出72量子比特芯片Bristlecone（狐尾松），成為現(xiàn)今量子比特?cái)?shù)最高的紀(jì)錄保持者，而英特爾與IBM則分別以49個(gè)與50個(gè)量子比特緊追其后。相比之下，微軟仍在設(shè)法開發(fā)一款可運(yùn)行的計(jì)算機(jī)。微軟正在追求一種新型設(shè)計(jì)，其基礎(chǔ)是控制一種難懂的馬約拉那費(fèi)米子（Majorana fermion），而就在幾年前，還沒有人能夠確定這種粒子是否存在。現(xiàn)在，工程師們即將能夠以一種方法控制馬約拉那費(fèi)米子，使其能夠執(zhí)行運(yùn)算。美國(guó)研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的主要公司，具體情況分別如下。
谷歌在2017年首次組裝了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，但那次嘗試沒有成功，因?yàn)檫@個(gè)含有72個(gè)超導(dǎo)量子比特的系統(tǒng)太難控制了，在糾錯(cuò)之后，有效利用的只有9個(gè)量子比特。2018年，谷歌推出一款72個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)Bristlecone，實(shí)現(xiàn)了1%的低錯(cuò)誤率，在量子比特?cái)?shù)量上首次領(lǐng)先于其它對(duì)手。后來，谷歌與美國(guó)國(guó)家航空航天局合作，共同開發(fā)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)。2019年10月，谷歌宣布開發(fā)出名為Sycamore的量子計(jì)算機(jī)，有54個(gè)超導(dǎo)量子比特，其中在測(cè)試期間工作的超導(dǎo)量子比特有53個(gè)，測(cè)試的計(jì)算任務(wù)是“證明隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字的隨機(jī)性”。據(jù)報(bào)道，Sycamore能夠在3分20秒內(nèi)完成上述計(jì)算，而世界上最快的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”解決同樣的問題大約需要1萬年。這意味著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法就此進(jìn)行計(jì)算，而Sycamore成為第一個(gè)證明量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)。
在開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)中，IBM是谷歌的最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。在眾多美國(guó)公司中，IBM公司是最早進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的企業(yè)之一，其主要的超前點(diǎn)在于量子比特量級(jí)。據(jù)稱，IBM能操縱的量子比特量級(jí)大幅領(lǐng)先于其他公司，已達(dá)50量子比特能力。理論上來說，超過49比特的量子計(jì)算機(jī)在性能上就能超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。該公司2019年1月曾在美國(guó)拉斯維加斯消費(fèi)電子展上展示了可操縱20個(gè)量子比特的“IBM Q系統(tǒng)1”，其被IBM稱為可“商用”的量子計(jì)算機(jī)。同年9月，IBM公司宣布將推出53量子比特的可“商用”量子計(jì)算機(jī)，并將其95%的計(jì)算能力向用戶開放（其量子計(jì)算系統(tǒng)的用戶包括美國(guó)摩根大通銀行、日本三菱化學(xué)等）。IBM還表示，自2016年以來，全球用戶社區(qū)通過云計(jì)算在IBM的量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了1400多萬次實(shí)驗(yàn)，并發(fā)表了200多篇科學(xué)論文。
2018年1月，英特爾宣布開始制造并交付49量子比特的超導(dǎo)量子芯片，而2個(gè)月前其剛宣布制造了17量子比特的量子計(jì)算機(jī)芯片。量子計(jì)算機(jī)實(shí)際上分為很多種類，英特爾的這個(gè)量子芯片基于低溫超導(dǎo)量子原理，另外他們還在研究其他量子計(jì)算機(jī)類型，并表示其也在300mm晶圓上制造出了自旋量子比特。
這里需要說明，量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在還在發(fā)展的初級(jí)階段，不論是谷歌的72量子比特、IBM的50量子比特還是Intel的49量子比特計(jì)算機(jī)，實(shí)際上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。英特爾表示業(yè)界還要5到7年時(shí)間才能解決規(guī)模化問題，真正商業(yè)化的量子計(jì)算機(jī)至少需要100萬個(gè)量子比特甚至更多。
2019年11月，微軟宣布了一項(xiàng)名為Azure Quantum的云計(jì)算服務(wù)。通過這項(xiàng)服務(wù)，人們可以通過云計(jì)算平臺(tái)來訪問量子計(jì)算機(jī)。Azure Quantum是一個(gè)全棧式開源量子云生態(tài)系統(tǒng)，它將微軟先前發(fā)布的量子編程工具與云服務(wù)集成，使編碼人員可以在模擬量子硬件或真實(shí)的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行量子代碼。Azure Quantum的不同之處在于，它能夠讓客戶訪問多種量子計(jì)算技術(shù)，這很有可能是未來量子市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)：由于量子硬件難以操作，因此，大多數(shù)公司都會(huì)選擇通過云服務(wù)來實(shí)現(xiàn)自己對(duì)量子計(jì)算的需求，而不是購(gòu)買或自建自己的量子計(jì)算機(jī)。實(shí)際上，此前微軟已經(jīng)推出了Q#量子計(jì)算編程語(yǔ)言，并集成到軟件開發(fā)工具包Visual Studio系列產(chǎn)品當(dāng)中。與此同時(shí)，微軟也提供了本地和云上的量子計(jì)算機(jī)模擬器，可讓用戶提前嘗鮮，在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)上嘗試量子計(jì)算。當(dāng)然，微軟也提供了大量的文檔和案例，感興趣的開發(fā)者今天就可以學(xué)習(xí)和嘗試量子編程。
（2）加拿大。加拿大D-Wave系統(tǒng)公司，是量子計(jì)算系統(tǒng)、軟件和服務(wù)開發(fā)與商用的量子計(jì)算機(jī)公司，也是世界上為數(shù)不多的量子計(jì)算機(jī)供應(yīng)商。2011年，其推出的商用量子計(jì)算機(jī)D-Wave One具有128量子比特處理器。2013年、2015年和2017年D-Wave又分別推出了512個(gè)、1000個(gè)和2000個(gè)量子比特的設(shè)計(jì)。第四代量子計(jì)算機(jī)D-Wave 2000Q就具有2000量子比特處理器。
目前，D-Wave系統(tǒng)公司具有完整的量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、軟件和開發(fā)人員工具。D-Wave系統(tǒng)公司主要客戶是洛克希德馬丁公司、谷歌、美國(guó)宇航局、大眾、DENSO公司，USRA公司、南加州大學(xué)、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等。2019年9月，D-Wave系統(tǒng)公司宣布其新一代5000-Qubit量子退火計(jì)算機(jī)將首次出售給洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（the Los Alamos National Laboratory）。
（3）英國(guó)。英國(guó)量子信息技術(shù)中心也在探索超導(dǎo)回路，但其主攻方向是一項(xiàng)發(fā)展較為成熟的技術(shù)：離子阱。離子阱的工作原理是將離子通過電磁場(chǎng)限定在有限空間內(nèi)，利用電荷與電磁場(chǎng)間的交互作用力來牽制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，將其局限在某個(gè)小范圍內(nèi)?；诹孔拥募m纏態(tài)現(xiàn)象，通過激光可實(shí)現(xiàn)原子的糾纏。經(jīng)過超冷處理的原子被囚禁在真空中，由激光束組成控制離子狀態(tài)的通道網(wǎng)絡(luò)，而這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是可以不斷擴(kuò)張的。一個(gè)離子阱就像一個(gè)算盤，原子在其中可以被不斷撥來?yè)苋ァ?/p>
如果谷歌的超導(dǎo)回路是一個(gè)芯片，那么英國(guó)量子信息技術(shù)中心的方案就是制作很多個(gè)小芯片。一個(gè)個(gè)離子阱，可以通過光學(xué)元件進(jìn)行連接。英國(guó)量子信息技術(shù)中心的最終目標(biāo)是制造一臺(tái)Q20:20的量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)，其中包含20個(gè)離子阱，每個(gè)離子阱里囚禁20個(gè)原子，整體相當(dāng)于一臺(tái)400量子比特的量子計(jì)算機(jī)。
（4）澳大利亞。2016年，澳大利亞計(jì)劃從硅開始制造量子處理器，而新南威爾士大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝設(shè)計(jì)的新的計(jì)算機(jī)芯片。該芯片是世界上第一個(gè)純硅量子計(jì)算機(jī)芯片。其量子疊加態(tài)的穩(wěn)定性比以前提高了10倍，這有助于開發(fā)更可靠的硅基量子計(jì)算機(jī)。澳大利亞科研人員計(jì)劃到2022年研制出一個(gè)10量子比特的基于硅基集成電路的芯片，這將成為建造世界上第一臺(tái)基于硅基的量子計(jì)算機(jī)的重要里程碑。
（5）日本。2015年，日立制作所開發(fā)出堪與“量子計(jì)算機(jī)媲美”、基于CMOS Annealing（退火）技術(shù)的非馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)處理器，其工作原理與加拿大D-Wave系統(tǒng)公司推出的商用量子計(jì)算機(jī)相似。然而，D-Wave系統(tǒng)只能在極度低溫下工作，而且非常容易受噪聲干擾，而日立的系統(tǒng)可以在室溫下工作。日立已經(jīng)試制出規(guī)模為D-Wave系統(tǒng)公司預(yù)定投產(chǎn)的量子計(jì)算機(jī)的約10倍的系統(tǒng)，并進(jìn)行了工作演示。2015年日立發(fā)布的成果在量子計(jì)算機(jī)研究者中引起了轟動(dòng)。按照過去的常識(shí)，即便是D-Wave系統(tǒng)等公司在短時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果的模型，也需要結(jié)合“量子糾纏狀態(tài)”“隧道效應(yīng)”等量子力學(xué)效應(yīng)。如果如日立公司成果一樣，在室溫下工作、采用半導(dǎo)體技術(shù)的計(jì)算機(jī)也能夠獲得與量子計(jì)算機(jī)相同的結(jié)果，那么量子計(jì)算機(jī)有可能失去其存在的意義。
新型計(jì)算機(jī)的定位并不是替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而是要覆蓋傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，二者是互補(bǔ)關(guān)系。對(duì)于利用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)求解非常費(fèi)時(shí)、費(fèi)電的問題，可以利用新型計(jì)算機(jī)快速、省電地求出近似解。日立預(yù)測(cè)，今后在解決利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、物流系統(tǒng)等社會(huì)性課題的時(shí)候，此類問題將頻繁出現(xiàn)。該公司希望利用此次開發(fā)的技術(shù)解決社會(huì)性課題。
（6）中國(guó)。中國(guó)在量子計(jì)算技術(shù)方面的主要優(yōu)勢(shì)在量子通信領(lǐng)域。從當(dāng)前發(fā)展程度來看，中國(guó)是較早進(jìn)入這一領(lǐng)域，且處于國(guó)際“第一梯隊(duì)”的國(guó)家，與西方國(guó)家?guī)缀跬?，且在超?dǎo)技術(shù)方面可與掌握最先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家并駕齊驅(qū)。同時(shí)，在量子通信技術(shù)上，中國(guó)受到外界的技術(shù)干擾、管制的影響較小，發(fā)展前景良好。
2016年8月16日，中國(guó)發(fā)射全世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。截至2017年8月，其已完成包括千公里級(jí)的量子糾纏分發(fā)、星地的高速量子密鑰分發(fā)，以及地球的量子隱形傳態(tài)等預(yù)定科學(xué)目標(biāo)。2017年9月，中國(guó)量子保密通信干線“京滬干線”開通。當(dāng)日結(jié)合“京滬干線”與“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，成功實(shí)現(xiàn)人類首次洲際距離且天地鏈路的量子保密通信。“京滬干線”連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥，全長(zhǎng)2000余公里，全線路密鑰率大于20千比特/秒（kbps），可同時(shí)供上萬用戶密鑰分發(fā)。
全球量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利排行。量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律、調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。經(jīng)過多年發(fā)展，量子計(jì)算技術(shù)的研究與應(yīng)用探索不再只停留在理論研究階段，而已經(jīng)受到世界科技強(qiáng)國(guó)的高度重視，成為新興技術(shù)領(lǐng)域熱點(diǎn)，并已經(jīng)初具產(chǎn)業(yè)生態(tài)。2019年11月，知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)業(yè)科技媒體IPRdaily與incoPat創(chuàng)新指數(shù)研究中心聯(lián)合發(fā)布了“全球量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明專利排行榜（TOP20）”，對(duì)截至2019年9月30日，在全球公開的量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利申請(qǐng)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排名。入榜前20名企業(yè)主要來自7個(gè)國(guó)家和地區(qū)。從國(guó)家來看，排名與入榜數(shù)量占比由上而下分別是：美國(guó)占比50%，日本占比15%，英國(guó)、加拿大各占比10%，中國(guó)、澳大利亞和韓國(guó)各占比5%。其中，來自加拿大的量子計(jì)算公司D-Wave以325件專利位列第一，來自美國(guó)的科技公司IBM和Microsoft分別以235件專利和212件專利排名第二位和第三位，來自中國(guó)的量子計(jì)算公司本源量子以36件專利排名第十二位（具體排名如表1所示）。入榜專利主要涉及與量子計(jì)算相關(guān)的結(jié)構(gòu)、算法以及系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域。
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量子計(jì)算發(fā)展主要困難和技術(shù)路線
1982年，量子計(jì)算機(jī)的概念由美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）提出，但在20世紀(jì)80年代，量子計(jì)算機(jī)多處于理論推導(dǎo)等紙上談兵狀態(tài)。直到1994年，彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質(zhì)因子分解算法，量子計(jì)算機(jī)開始成為熱門話題。目前為止，我們已經(jīng)在控制量子比特方面取得重大進(jìn)展，許多研究小組已經(jīng)驗(yàn)證了量子計(jì)算機(jī)的可行性并做出樣機(jī)。這些工作使量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域生氣勃勃，大量國(guó)家資本和私人投資進(jìn)入其中。但量子計(jì)算的時(shí)代何時(shí)真正開始？這對(duì)于技術(shù)人員來說，是個(gè)至關(guān)重要的問題。因?yàn)榱孔佑?jì)算一旦落地，將從根本上重新定義計(jì)算這件事。屆時(shí)我們所學(xué)的每一個(gè)算法都可能需要重寫，所有成果都需要翻新。
量子并行計(jì)算技術(shù)發(fā)展的主要困難。量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在只是剛起步，目前的硬件水平還不能制造出通用的量子計(jì)算機(jī)。量子比特會(huì)與外部環(huán)境發(fā)生作用而使量子衰減，這是目前面臨的主要技術(shù)難題，而實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算的兩大技術(shù)困難如下：
其一，量子比特之間的相干性很難長(zhǎng)時(shí)間保持。目前，量子計(jì)算機(jī)的研究還處于理論和實(shí)驗(yàn)階段，只能產(chǎn)生幾十個(gè)量子位。為了在量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)高效的并行操作，必須使相互關(guān)聯(lián)的量子比特串作一個(gè)整體，即量子相干。這樣，只要處理其中一個(gè)量子比特，影響就會(huì)立即傳輸?shù)叫蛄兄械钠渌孔颖忍?。這一特性是量子計(jì)算機(jī)高速運(yùn)行的關(guān)鍵。
由于量子相干系統(tǒng)與周圍環(huán)境的相互作用，相干度會(huì)迅速衰減，并且隨著量子比特?cái)?shù)的增加，保持相干態(tài)將變得越來越困難。目前，此連貫性只能維持不到一秒鐘。在如此短的時(shí)間內(nèi)需要完成一定數(shù)量的邏輯運(yùn)算，這對(duì)量子邏輯門的開關(guān)速度提出很高要求，而量子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的最有效的方法。量子編碼是用一些特殊的量子態(tài)來表示量子比特，以達(dá)到保持相干性的目的。主要的量子編碼方案是：量子糾錯(cuò)碼、量子避錯(cuò)碼和量子防錯(cuò)碼。其中，量子糾錯(cuò)碼是經(jīng)典糾錯(cuò)碼的類比，是目前研究最多的一類編碼，其優(yōu)點(diǎn)為適用范圍廣，缺點(diǎn)是效率不高。
其二，要做出邏輯比特，則目前物理比特的數(shù)量仍不足。量子比特可以進(jìn)一步分為物理比特和邏輯比特。由于噪聲的客觀存在和物理比特穩(wěn)定性的一些缺陷，只有通過對(duì)多個(gè)物理比特的冗余處理，才產(chǎn)生邏輯比特。一般來說，噪聲較小的系統(tǒng)可以用較少的物理比特對(duì)邏輯比特進(jìn)行編碼。與物理比特相比，邏輯比特具有更好的容錯(cuò)性。因此，盡管IBM、谷歌和英特爾已經(jīng)制作了原型機(jī)并獲得“量子霸權(quán)”，但如果他們想制作邏輯比特，則目前物理比特的數(shù)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。事實(shí)上，這些量子計(jì)算機(jī)還處于非常原始的階段，只能適用特定的應(yīng)用。
當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)的難點(diǎn)在于無法實(shí)現(xiàn)編碼邏輯比特，當(dāng)然還存在系統(tǒng)擴(kuò)展、邏輯門精度等問題。由于這些技術(shù)瓶頸，現(xiàn)在開發(fā)的量子計(jì)算機(jī)只能稱為原型，它們只能執(zhí)行單一的特定功能，而無法實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算。
全球量子計(jì)算機(jī)四種技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑之爭(zhēng)。科學(xué)界最近涌現(xiàn)出的一些進(jìn)步重新點(diǎn)燃了科學(xué)家想方設(shè)法組建更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)的熱情，并促使其使用不同技術(shù)研制計(jì)算能力超強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)，從而使全球出現(xiàn)了四種主要的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。
第一，用超低溫超導(dǎo)材料制成量子計(jì)算機(jī)。加拿大D-wave系統(tǒng)公司開發(fā)的量子芯片采用特殊的鈮金屬材料，這種材料在低溫下呈超導(dǎo)態(tài)，其電流具有順時(shí)針、逆時(shí)針和順逆時(shí)同時(shí)存在的混合狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算。D-wave系統(tǒng)公司已經(jīng)開始在市場(chǎng)上銷售量子計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，主要客戶包括谷歌和美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。
第二，基于微電子制造技術(shù)的量子計(jì)算。過去幾年IBM依托于耶魯大學(xué)和加州大學(xué)圣巴巴拉分校在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了進(jìn)展，研究小組將超導(dǎo)材料錸和鈮分散在半導(dǎo)體表面，當(dāng)冷卻到絕對(duì)零度時(shí)，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)量子行為。研究結(jié)果表明，量子計(jì)算可以建立在標(biāo)準(zhǔn)微電子制造技術(shù)的基礎(chǔ)上。
第三，離子阱制造量子比特。離子阱技術(shù)是利用離子阱中的離子制造量子比特，即利用電極產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)里“俘獲”經(jīng)過超冷處理的離子。研究人員已經(jīng)能夠利用激光實(shí)現(xiàn)離子糾纏。到目前為止，研究人員已經(jīng)用這種方法建立了一個(gè)由8個(gè)量子位組成的系統(tǒng)，全球有20多個(gè)大學(xué)和公司的研究實(shí)驗(yàn)室從事類似的研發(fā)和設(shè)計(jì)。
第四，使用量子糾纏來獲取信息。量子計(jì)算機(jī)的基本單位是量子比特，即用原子的自旋等粒子的量子力學(xué)狀態(tài)表示0和1。量子比特因可同時(shí)處于0和1的狀態(tài)（量子疊加），使得量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，隨著量子比特?cái)?shù)的增加，其計(jì)算能力呈指數(shù)增長(zhǎng)，但是觀測(cè)或測(cè)量量子比特可能會(huì)造成其計(jì)算潛力的削減。因此，研究人員利用量子糾纏來獲取信息。在量子糾纏中，粒子連接在一起，則測(cè)量一個(gè)粒子的性質(zhì)可以直接揭示另一個(gè)粒子的相關(guān)信息。然而，如何擴(kuò)大糾纏量子位的數(shù)目并保持糾纏態(tài)是當(dāng)前量子信息研究領(lǐng)域的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
量子計(jì)算機(jī)技術(shù)前沿。技術(shù)一，在極冷的環(huán)境下控制量子（主要研究者為谷歌、IBM和英特爾）。量子計(jì)算機(jī)能力的“大”和“小”，基本上取決于其量子比特的數(shù)量，而在傳統(tǒng)架構(gòu)下，當(dāng)量子比特的數(shù)量迅速增加，一些基本粒子對(duì)于外界的干擾會(huì)越來越敏感，導(dǎo)致錯(cuò)誤率急劇上升。由于量子是微觀粒子，因此哪怕極其微小的電磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)其構(gòu)成干擾，產(chǎn)生所謂的“局部噪音”。同時(shí)，由于熱輻射和電磁輻射等環(huán)境噪聲的存在，量子系統(tǒng)會(huì)受到環(huán)境的干擾。只有在零場(chǎng)強(qiáng)和絕對(duì)零度的環(huán)境中，才有理想狀態(tài)下的量子計(jì)算。這也是為什么量子計(jì)算機(jī)要放在接近絕對(duì)零度（約-273.15攝氏度）的容器里，被嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地封閉起來，對(duì)外界干擾“嚴(yán)防死守”。但是，由于這種溫度環(huán)境需要消耗大量的資金和能源，這在一定程度上就阻礙了量子計(jì)算機(jī)小型通用化的技術(shù)進(jìn)程。
技術(shù)二，采用“拓?fù)淞孔颖忍?rdquo;進(jìn)行計(jì)算（主要研究者為微軟）。微軟不是使用普通的“邏輯量子比特”（Logical Qubit）進(jìn)行計(jì)算，其獨(dú)特的技術(shù)路線是采用“拓?fù)淞孔颖忍?rdquo;（Topological Qubit）進(jìn)行計(jì)算。拓?fù)淞孔颖忍厥峭ㄟ^基本粒子的拓?fù)湮恢煤屯負(fù)溥\(yùn)動(dòng)來處理信息。無論外界的干擾如何“蹂躪”基本粒子的運(yùn)動(dòng)路徑，只要它還連續(xù)變化，從拓?fù)浣嵌葋砜?，其運(yùn)動(dòng)就是等價(jià)的。這也就是說，用拓?fù)淞孔颖忍剡M(jìn)行計(jì)算，對(duì)于外界的干擾有極強(qiáng)的容錯(cuò)能力。這樣一來，基于拓?fù)淞孔颖忍氐挠?jì)算機(jī)就可以在規(guī)模上很大，在能力上很強(qiáng)。微軟是當(dāng)前壓寶拓?fù)淞孔佑?jì)算的科技巨頭。這個(gè)技術(shù)一旦取得突破，長(zhǎng)期困擾我們的諸多計(jì)算難題將迎刃而解。
技術(shù)三，使用量子退火原理尋找最優(yōu)解（主要研究者為D-Wave）。量子退火算法可以這樣理解：在量子工作環(huán)境中加入一個(gè)隨機(jī)的擾動(dòng)，使得計(jì)算的解更容易出現(xiàn)在距離最優(yōu)解更近的地方，然后多次進(jìn)行退火過程使結(jié)果不斷接近最優(yōu)解。退火算法就是利用現(xiàn)實(shí)世界中量子系統(tǒng)的自然趨勢(shì)來尋找能量狀態(tài)的最低點(diǎn)。如果優(yōu)化問題和量子系統(tǒng)自然趨勢(shì)的峰值和谷值相似，則每一個(gè)坐標(biāo)就代表一種可能的解決方案，而高度（峰值和谷值的差）則表示能量值。最優(yōu)解就是能量狀態(tài)的最低點(diǎn)和量子系統(tǒng)的谷值相互對(duì)應(yīng)。
進(jìn)一步的解釋是：在量子計(jì)算機(jī)里，由于量子的物質(zhì)波，量子的位置可以是它附近的任一處，只不過概率不同。初始時(shí)，我們給予某量子一個(gè)擾動(dòng)，就好比金屬開始退火時(shí)升高溫度，它有可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與當(dāng)前值有一定距離的新值，然后計(jì)算機(jī)比較這兩個(gè)值。接下來我們可以更改這個(gè)擾動(dòng)，好比升高退火的溫度，使量子可能出現(xiàn)在更多的地方，并繼續(xù)進(jìn)行比較判斷，直到最終找到最優(yōu)解，而此時(shí)量子恢復(fù)初始的穩(wěn)定狀態(tài)，就好比金屬的退火結(jié)束，溫度恢復(fù)到了正常溫度。這也是為什么這個(gè)方法被稱為量子退火。量子退火算法就是讓大自然自己去選擇最優(yōu)的答案。目前商用量子計(jì)算機(jī)（其實(shí)是量子退火機(jī)）D-Wave Two會(huì)對(duì)每次計(jì)算任務(wù)重復(fù)4000次，以便使得解趨向更加精確。
國(guó)家層次的戰(zhàn)略投資
從歷史上看，一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步取決于對(duì)該技術(shù)投入的人力和資金的多少。技術(shù)的進(jìn)步將推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的收入，從而使資金可持續(xù)投資在研發(fā)、人才等方面并進(jìn)一步促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。如同互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程，如果我們想在量子研究中實(shí)現(xiàn)持續(xù)的指數(shù)級(jí)別的技術(shù)進(jìn)步，就需要進(jìn)行指數(shù)級(jí)別的投資，并保持這種投資的良性循環(huán)。
在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)中，先期的商業(yè)成功將增加整個(gè)領(lǐng)域的投資，但在沒有商業(yè)回報(bào)的中間研發(fā)環(huán)節(jié)，則需要政府增加資金支持，因?yàn)檠邪l(fā)時(shí)，艱難的中間環(huán)節(jié)直接影響研發(fā)的成功與否。從現(xiàn)狀看，美國(guó)、英國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)以及歐盟都在加大對(duì)量子計(jì)算機(jī)開發(fā)的投入。
美國(guó)。2018年9月，美國(guó)政府發(fā)布《量子信息科學(xué)國(guó)家戰(zhàn)略概述》（National Strategy for Quantum Information Science），旨在確保美國(guó)在“下一場(chǎng)技術(shù)革命”中的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。同年12月，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)特朗普簽署《國(guó)家量子計(jì)劃法案》（National Quantum Initiative Act），至此醞釀半年的《國(guó)家量子計(jì)劃法》正式生效。該法案旨在確保美國(guó)在量子信息科學(xué)及技術(shù)應(yīng)用方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，支持量子信息科學(xué)技術(shù)的研究、開發(fā)、論證和應(yīng)用，要求美國(guó)總統(tǒng)實(shí)施“國(guó)家量子計(jì)劃項(xiàng)目”（National Quantum Project）。法案授權(quán)在10年計(jì)劃的前5年投資12.75億美元用于量子信息科學(xué)，其中，向美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology）撥款4億美元，向美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation，United States）撥款2.5億美元，向美國(guó)能源部撥款6.25億美元。這些資金將用于培養(yǎng)科學(xué)家、拓展研究和建立10個(gè)量子研究與教育中心。同時(shí)，該法案要求加強(qiáng)聯(lián)邦量子信息科學(xué)技術(shù)研發(fā)的跨機(jī)構(gòu)規(guī)劃與協(xié)調(diào)，建立一個(gè)國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室（National Quantum Coordination Office），促使產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界建立伙伴關(guān)系。
英國(guó)。早在2013年的秋季預(yù)算中，英國(guó)政府就專門撥款2.7億英鎊用以支持“英國(guó)國(guó)家量子技術(shù)項(xiàng)目”（UK National Quantum Technology Project）在第一個(gè)5年的開展，意在加速量子技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。該項(xiàng)目包含4個(gè)研究中心，分別由4所高校主持，除了牛津大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的量子信息技術(shù)中心之外，還有伯明翰大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的量子傳感和測(cè)量中心、約克大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的量子通信中心、格拉斯哥大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的量子先進(jìn)成像中心。從2014年英國(guó)啟動(dòng)此項(xiàng)目，到2019年6月英國(guó)政府宣布向量子計(jì)算商業(yè)化投資1.53億英鎊以推動(dòng)研發(fā)競(jìng)賽、新產(chǎn)品和創(chuàng)新、行業(yè)主導(dǎo)項(xiàng)目以及投資加速，5年間總投資超過10億英鎊。
歐盟。2016年3月，歐盟委員會(huì)發(fā)布《量子宣言（草案）》，計(jì)劃于2018年啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目，旨在促進(jìn)包括安全的通信網(wǎng)絡(luò)和通用量子計(jì)算機(jī)等在內(nèi)的多項(xiàng)量子技術(shù)的發(fā)展，以確保歐洲量子產(chǎn)業(yè)在全球產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖中的領(lǐng)先地位。2018年10月，“歐盟量子旗艦項(xiàng)目”（EU Quantum Flagship）啟動(dòng)，這個(gè)10年預(yù)計(jì)花費(fèi)10億歐元的超大項(xiàng)目計(jì)劃在三年內(nèi)建造其第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)Open Super Q，其目標(biāo)是構(gòu)建一臺(tái)包含100個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，并可以開放給外部用戶使用。德國(guó)、西班牙、瑞典、瑞士和芬蘭的10個(gè)學(xué)術(shù)和私營(yíng)企業(yè)合作伙伴參與Open Super Q研發(fā)項(xiàng)目。歐盟量子旗艦項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注四種量子技術(shù)：通信、計(jì)算、感知和仿真。同時(shí)，還將基礎(chǔ)科學(xué)納入其中。
日本。日本于2018年啟動(dòng)“量子飛躍旗艦計(jì)劃”（Q-LEAP），總預(yù)算是10年220億日元，其中三分之一將投入到量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域，針對(duì)此研究課題日本政府采取了產(chǎn)學(xué)研一體化方式進(jìn)行。日本政府計(jì)劃在2019年下半年將相關(guān)預(yù)算提高至250億日元，比當(dāng)時(shí)的140億日元預(yù)算增加近一倍，以便加快量子技術(shù)的研發(fā)，為超高速量子計(jì)算提供基礎(chǔ)技術(shù)支持，同時(shí)計(jì)劃建立從基礎(chǔ)研究到知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理的綜合性研究機(jī)構(gòu)，推進(jìn)人才培養(yǎng)。2019年11月日本政府專家會(huì)議在技術(shù)開發(fā)進(jìn)度匯總表中提出，力爭(zhēng)20年后實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行超高速?gòu)?fù)雜計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化，縮小與歐美及中國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的差距。
中國(guó)。中國(guó)將量子調(diào)控與量子信息列入“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”。2016年7月，中國(guó)政府宣布將啟動(dòng)量子計(jì)算機(jī)研發(fā)。2017年2月，世界上最大的量子研究設(shè)施——中國(guó)量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)啟動(dòng)，一期計(jì)劃投入70億元人民幣，長(zhǎng)期投資將達(dá)千億元人民幣。2020年12月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，該校潘建偉團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，在量子計(jì)算第一階段樹起了一座里程碑。
風(fēng)險(xiǎn)與歷史機(jī)遇
盡管我們對(duì)量子計(jì)算和量子技術(shù)的探索可能需要漫長(zhǎng)的時(shí)間，但其中努力終將擴(kuò)展人類知識(shí)的邊界，并可能改變我們對(duì)于宇宙的理解。目前在量子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展研究領(lǐng)域，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與困難和發(fā)展機(jī)遇并存。
技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及需要克服的困難。第一，量子比特不能從本質(zhì)上隔離噪聲。經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別之一，即它們?nèi)绾翁幚硐到y(tǒng)中微小的干擾噪聲。實(shí)際上，今天的經(jīng)典計(jì)算機(jī)用于控制的操作位有很大的噪聲邊際，所以經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以抑制輸入端的噪聲污染，產(chǎn)生干凈無噪聲的輸出。然而，對(duì)于操作量子比特的量子計(jì)算機(jī)來說，最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一是錯(cuò)誤率，低錯(cuò)誤率一直很難實(shí)現(xiàn)。即使到2018年，5個(gè)或者更多個(gè)數(shù)的量子比特系統(tǒng)其錯(cuò)誤率也超過幾個(gè)百分點(diǎn)。在較小的系統(tǒng)中一般可以有效控制錯(cuò)誤率，但當(dāng)需要轉(zhuǎn)移到更大的量子比特系統(tǒng)中時(shí)則較困難，只有進(jìn)一步抑制輸入端的噪聲污染才能成功地進(jìn)行量子計(jì)算。
第二，無誤差的量子計(jì)算需要進(jìn)行量子誤差校正（Quantum Error Correction）。雖然物理量子比特的操作對(duì)噪聲很敏感，但是可以在量子計(jì)算機(jī)中運(yùn)行量子誤差校正算法來模擬無噪聲或者完全校正的量子計(jì)算。如果沒有量子誤差校正，像秀爾算法這樣復(fù)雜的程序就不太可能在量子計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確運(yùn)行。然而，執(zhí)行量子誤差校正算法需要更多的量子比特，這使得計(jì)算機(jī)的開銷增大。雖然對(duì)于無錯(cuò)誤的量子計(jì)算，量子比特?cái)?shù)量至關(guān)重要，但是因?yàn)殚_銷過大，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)無法應(yīng)用。
第三，大數(shù)據(jù)無法有效加載到量子計(jì)算之中。雖然量子計(jì)算機(jī)可以使用更少的量子比特來表示更多的數(shù)據(jù)，但是沒有辦法將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成量子態(tài)。對(duì)于需要海量數(shù)據(jù)輸入的問題，產(chǎn)生輸入量子態(tài)所需的時(shí)間將占據(jù)大部分計(jì)算時(shí)間，這大大降低了量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。
第四，量子算法的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。測(cè)量量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)需將大量的量子態(tài)“折疊”成單個(gè)經(jīng)典結(jié)果，這意味著，從量子計(jì)算機(jī)中所能提取的數(shù)據(jù)量與從同樣大小的經(jīng)典計(jì)算機(jī)中提取的數(shù)據(jù)量相同。但在未來，要想充分發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，量子算法必須利用獨(dú)特的量子特性。因此，量子算法的實(shí)現(xiàn)需要一種新的設(shè)計(jì)原則。量子算法的發(fā)展是量子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)非常重要的方面。
第五，量子計(jì)算機(jī)需要新的成套軟件。由于量子程序不同于經(jīng)典的計(jì)算機(jī)程序，需要進(jìn)一步研究和開發(fā)軟件工具。量子計(jì)算機(jī)完整軟硬件工具的同步發(fā)展，將加速量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。利用早期的工具完成端到端的設(shè)計(jì)，有助于發(fā)現(xiàn)隱藏的問題，從而促進(jìn)設(shè)計(jì)的整體成功，這也是經(jīng)典計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所采用的一套方法。
第六，量子計(jì)算機(jī)的中間狀態(tài)無法直接測(cè)量。量子硬件和軟件的調(diào)試非常重要。目前，量子態(tài)不能簡(jiǎn)單地復(fù)制用于測(cè)試，任何量子態(tài)的測(cè)量都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算停止。新的調(diào)試方法對(duì)大型量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展具有重要意義。
在量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之前，量子計(jì)算還存在著重大的技術(shù)障礙。構(gòu)建和使用量子計(jì)算機(jī)，需要整合計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料科學(xué)等一系列學(xué)科。[4]
歷史機(jī)遇。今天，科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)有兩個(gè)：一是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有物質(zhì)在原子層面和分子層面的組合方式，這涉及生命科學(xué)、高端材料等學(xué)科；二是探索世界存在的本質(zhì)，量子論和相對(duì)論是這一領(lǐng)域里的兩大利器。
量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)正在帶來信息技術(shù)的革命性變化，首先可能應(yīng)用于醫(yī)療、國(guó)防、航天、金融、材料等行業(yè)。如果想在這些領(lǐng)域內(nèi)有突破性的進(jìn)展，就必須突破計(jì)算量太大的難關(guān)，就像在生命科學(xué)中，只有搞清楚有機(jī)物分子的排列，才有可能去模擬生命的各種可能性。因此，量子計(jì)算對(duì)這些領(lǐng)域的發(fā)展意義極大，計(jì)算能力的飛躍必然導(dǎo)致這些領(lǐng)域的大發(fā)展，屆時(shí)生命、物質(zhì)、能量、空間、時(shí)間的本質(zhì)就會(huì)展現(xiàn)在人類的面前，今天的人類連想都不敢想的應(yīng)用也會(huì)隨之出現(xiàn)。
就算法而言，量子計(jì)算機(jī)有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是對(duì)于任意一個(gè)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算法，均有其相應(yīng)的量子算法；二是存在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算法無法模擬的量子算法。人們只要造出位數(shù)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相近的量子計(jì)算機(jī)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算法就必然會(huì)被取代。隨著人類使用的數(shù)據(jù)量越來越大，各種類型的量子計(jì)算機(jī)一定會(huì)走進(jìn)我們的日常生活。量子計(jì)算機(jī)盡管在短期內(nèi)不可能取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，但它必將是人類科技文明的一個(gè)重要里程碑，是未來科技的引擎。除了量子計(jì)算潛在的社會(huì)益處之外，這項(xiàng)工作對(duì)國(guó)家的安全也有重大影響。
量子計(jì)算對(duì)于推動(dòng)基礎(chǔ)性研究具有重要價(jià)值，這些研究將有助于人類理解與認(rèn)識(shí)未知世界。與所有的基礎(chǔ)性研究一樣，這一領(lǐng)域的進(jìn)展會(huì)帶來革命性的新知識(shí)和新應(yīng)用。量子計(jì)算一定會(huì)給這個(gè)世界帶來一次全新的技術(shù)革命，今天的我們甚至無法想象這樣的技術(shù)革命會(huì)給社會(huì)帶來怎樣巨大深刻的變化。
注釋
[1]J. Ren and V.K. Semenov, "Progress with Physically and Logically Reversible Superconducting Digital Circuits", IEEE transactions on applied superconductivity, 21(3), 2011, pp. 780-786.
[2]H. Esmaeilzadeh et al., "Dark Silicon and the end of Multicore Scaling", Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA), 38th, 2011.
[3]C. Monroe et al., "Large Scale Modular Quantum Computer Architecture with Atomic Memory and Photonic Interconnects", Physical Review A, 89(2), 2014.
[4]National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, Quantum Computing: Progress and Prospects, The National Academies Press, 2019.
責(zé) 編／桂 琰
Development of Quantum Computer: Technological Paths, Risks and Strategic Investment
Li Lianning
Abstract: Due to the physical limits of the existing semiconductor technology and microelectronics, the development of traditional computer is gradually approaching its limit, and the quantum computing technology with powerful parallel processing capability has been a growing need. However, the external environment usually interferes with the basic unit of quantum computing (qubit), resulting in quantum attenuation and calculation errors. To address the above technical problems, there has been a debate as to which of the following four technological paths should be adopted—the technology based on ultra-low temperature superconducting materials, the ion trap technology, the microelectronic manufacturing technology and the quantum entanglement to obtain information. It has been a great technical challenge and risk to build a large-scale fault-tolerant universal quantum computer and apply it to complete practical tasks while generating benefits. Quantum computer is known as the "Star Wars project of the 21st century", and its implementation can bring revolutionary changes to information technology. Historically, the progress of a technology depends on the amount of manpower and capital invested in it. At present, the investment by developed countries in quantum research has been increasing continuously, and they have begun to scale up investment at the national level.
Keywords: quantum computer, technological path, technological risk, strategic investment
