研制量子計算機邁出的第一步是在大學黑板上進行的大量深奧的數(shù)學運算。據(jù)粗略統(tǒng)計，包括美國、英國、中國和德國在內的各國政府合計已投入數(shù)十億美元以推進量子研究。如今這項已經(jīng)發(fā)展幾十年的技術終于成為了一個商業(yè)命題。

2020年是后“量子霸權”（或稱“量子優(yōu)越性”）元年，世界對量子計算的投入持續(xù)上漲，技術和生態(tài)蓬勃發(fā)展，多個平臺異彩繽紛。2020年12月，中國的76個光子的量子計算原型機“九章”的問世，讓中國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

在這一浪潮將在2021年繼續(xù)推高社會的關注和期待，但接下去量子計算的研究需要證明自身的使用價值。

那么量子計算到底有哪些“非凡”之處？量子計算能不能成為IC產業(yè)革命性的重要力量？相關的研究和應用處于怎樣的階段？日前獨家連線專訪了耶魯大學應用物理教授Steven Girvin。Steven Girvin研究量子力學多年，2020年開始任美國布魯克黑文國家實驗室C2QA量子優(yōu)勢聯(lián)合設計中心負責人，布魯克黑文是今年美國國家科學基金會和能源部撥款資助的五個量子研究院之一。

量子計算VS傳統(tǒng)計算

所謂量子計算，簡單來說，就是依據(jù)量子物理定律來處理信息的新型計算方式。Girvin指出，量子物理始于一個世紀以前，發(fā)展成熟但一直變化不大。直到近幾十年來，學界和產業(yè)界才逐步意識到量子技術有尚未被發(fā)掘的強大力量。

Girvin進一步解釋，普通的電腦使用二進制數(shù)，0和1是基本算符，每個數(shù)字稱為一個位元（二進制位，或稱比特）。但了解了量子力學和不確定性原理之后，就會發(fā)現(xiàn)量子系統(tǒng)的單位能夠處在不確定狀態(tài)中。“而這一發(fā)現(xiàn)的真正意義在于，（利用量子力學的特性）可以使電腦它真正的意義是電腦能同時進行多線運算，即能同時考慮到位元是0和位元是1時的兩種情況。而當這一能力延申到多個位元上，也就是量子位元，計算機能同時做的事就會呈指數(shù)增長，如此就能做到現(xiàn)有的傳統(tǒng)電腦不可能完成的某些計算任務。”Girvin指出。

簡而言之，利用量子力學的反直覺特性，可以大幅加速某些類型的計算。這讓量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面（如機器學習，密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設計、藥物分析等）相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

“當問題越來越復雜，數(shù)據(jù)庫越來越大，或者變量越來越多時，在傳統(tǒng)電腦上執(zhí)行這種計算的難度系數(shù)就會指數(shù)增長，難以執(zhí)行。而這種難度在量子計算機上增長得會慢一些。”Girvin指出量子計算的長遠潛能。

以機器學習為例，關于機器學習的一種思考方式是將其視作優(yōu)化問題，即計算機試圖在數(shù)百萬個變量之間折中取舍，以求出誤差盡可能小的解。而量子計算機則有望大大提高計算速度，從而在優(yōu)化問題中的表現(xiàn)遠勝過普通電腦。

“量子計算機還處于普通電腦1940年的階段”

那么目前學術方面量子計算的研究到哪一步了呢？對此，Girvin的結論是，盡管領域每天都會有很多進展，以求做出更大更有用的量子計算機，但是技術上還沒有準備好，“我們仍處于第二次量子革命的初級階段。”

Girvin說，目前人類在量子世界中的研究進展相當于“剛剛做出了真空管，或者剛剛發(fā)明算盤、晶體管這樣的階段”。

“這個階段相當于普通電腦在1940年的時候，非常初級，非常簡單，只有少量的量子位元。”Girvin指出，目前的量子計算機雖然已經(jīng)有一些應用，人們已經(jīng)能從網(wǎng)上接入量子計算機，在上面簡單地編碼實驗，但總體上仍處于研究階段，還談不上有經(jīng)濟價值。

而對于量子計算的能力，全球的研究也尚處于很初級的階段。Girvin指出，過去二十年來，一個巨大的進步是量子位元保留信息的時間增長了一百萬倍。

“二十年前，第一批量子位元面世時，幾乎無法儲存信息，大概只能記住一納秒。現(xiàn)在的技術能保留信息一毫秒了。”Girvin稱，這是一個了不得的進步，也是做出更復雜電路的前提。

他進一步解釋，事實上，量子位元能同時處于0和1的疊加狀態(tài)這一特性，既是優(yōu)點也是缺點。缺點是這種疊加狀態(tài)對外界環(huán)境的噪音、攝動和干擾極度敏感，因此需要設計更穩(wěn)定的量子位元，要能更長時間地保持量子狀態(tài)才能做出更復雜的電路，才能在運行大型算法時保持量子計算的優(yōu)勢。Girvin介紹，這也是為什么目前在他所在的量子研究院，主要在研究超導量子位元和超導微波電路的重要原因。

Girvin指出，當前研究的最大挑戰(zhàn)之一就是量子糾錯，或者設計容錯率高的電路，這其中的關鍵是需要大量量子位元，因為盡管每一個位元都是不完美的，但是整個集合能完成近乎完美的運算。“理論上這是可以完成的，但我們仍處在探索的初級階段，在練習，在實驗。”

此外，基于量子計算的算法和全新編程方式的空白，是另一大研究挑戰(zhàn)。Girvin說，這就像1940年在初代電腦上用真空管進行編程時，有大量的電線要插到配線架上，有很多部分需要連接起來，其過程繁瑣冗雜，當時的程序員都飽受硬件編程之苦。直到數(shù)學家約翰·馮·諾伊曼和他的合作者們發(fā)明了馮·諾伊曼結構——一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結構。Girvin認為，目前在量子計算的研究上，也正在經(jīng)歷著這方面的同比，并進入一個尋求優(yōu)化方案的時代。

各國的量子角逐賽

盡管關于量子計算的研究尚有諸多挑戰(zhàn)，但研制量子計算機已成為世界各個大國角逐的焦點。

為什么量子計算領域的競爭這么重要？對此，Girvin認為，量子技術將給各國經(jīng)濟和國家安全方面帶來重要影響力，盡管具體潛力還不清楚，但很有可能是“如同第三次工業(yè)革命一般的變化”。

在量子計算未來可能的重要應用中，IC設計領域可望得到受益。Girvin指出，芯片設計上有大量優(yōu)化步驟，需要在芯片上定位處理器的不同部分，在這其中繞線連接，還有成千上萬的約束元件，線路不能太多太長等，這一切都必須依賴計算機來計算。

另外，很重要的一點，量子計算也被眾多科學家們視作突破當前已經(jīng)趨于枯竭的摩爾定律的一項新希望。

由人工智能等一系列前沿應用引發(fā)的對計算能力的需求不斷激增，這讓摩爾定律和馮諾依曼架構的瓶頸日益凸顯。在過去50年里，傳統(tǒng)數(shù)字計算機的性能按照摩爾定律一路提升——集成電路（微芯片）的容量大約每18-24個月翻一番。如今，數(shù)字計算機性能的發(fā)展速度似乎正在放慢，馮諾依曼計算架構不斷抵近極限，即內存的讀取速度和芯片的處理速度漸漸難以實現(xiàn)同步。所以尋找新的替代方案變得尤為重要。

Girvin介紹，每個國家關注的量子計算領域也有所不同，不過主要集中在量子信息處理（或者量子計算）、量子溝通以及量子傳感三個領域，而三個領域又是緊密相連的。除了已經(jīng)談論頗多的量子計算外，量子溝通研究在量子力學范圍內最大限度地精確測量微小信號；量子傳感可用于探測微小的無線電信號，射電天文學者或工程師用來探測微小磁場，藥物研發(fā)、基礎科學和工程中也有很多應用。

“每個國家都會對這三個領域有所涉獵，只是投資水平不同。近年來中國在量子溝通上下了很多功夫，量子計算也是。”Girvin說。

前不久問世的中國的76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數(shù)學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。標志著中國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”（國外也稱之為“量子霸權”）的國家。

此外，歐洲也在量子溝通上大量投入，包括超導量子位元和冷原子。美國正在開始研究量子溝通，關注的也是超導量子位元和量子溝通。Girvin領導的其中一個美國國家量子研究院，更多地關注短距離溝通，將模組和電腦群連接在一起。

Girvin解釋，量子計算有很多平臺，包括超導量子位元、光學、原子等等，所有能用于承載量子信息的物理對象都能成為平臺。另外也有其他的研究中心專注于量子材料的研究。

何時實現(xiàn)商業(yè)化價值？

近期，風險資本開始流入圍繞量子計算的公司。投資者開始在這項常處于初期的技術上大膽下注，他們認為，即使目前量子計算機尚規(guī)模有限、易出錯、不穩(wěn)定，也可能被證明具備商業(yè)用途。

不過，Girvin提醒，現(xiàn)在要說量子計算機能有效解決什么問題還為時過早。他指出，學術領域和在資本領域對此說法略有不同，“資本或許會夸大量子的可能性，而我們并不知道這些承諾是否能兌現(xiàn)。總而言之，大型量子計算機能夠解決很多有趣的難題，但并不是所有問題。有些問題還是需要啟發(fā)性實驗設計，尋求可用但或許并不完美的解決方案。”Girvin對量子技術的發(fā)展階段保持懷疑態(tài)度，但他表示即便當前量子計算仍處于早期發(fā)展階段，他對此的前景也很樂觀。

“從晶體管的發(fā)明開始，人類用了50年時間才發(fā)展到現(xiàn)在的超級電腦。所以量子計算機的大規(guī)模生產使用也可能要50年。”Girvin指出，不過鑒于現(xiàn)在很多人對這個領域的發(fā)展傾注精力，他認為十年左右有望看到量子計算的重大突破，甚至看到具有經(jīng)濟價值的量子計算機，而大概五年之后，能做出容納更多量子位元、儲存時間更長的量子計算機來進行更復雜的運算，解決科學上的難題。

但Girvin同時強調，未來往往是不可預測的。一般來說研發(fā)新技術新工程時總會高估短期成果，而低估其長期可能帶來的顛覆影響，因而Girvin認為，當前我們還不知道量子力學的全部應用，正如發(fā)明晶體管的人也不知道它會被用來播放音樂，不知道激光會被用來傳輸音樂。“這些技術和器件最終真正的使用方式會令其研發(fā)者大吃一驚。”量子計算機在未來將帶來的驚喜也同樣如此。

結語：

盡管那些“跑最后幾公里的人”往往備受矚目——他們把新興技術拿來，試圖創(chuàng)立長久有利可圖的業(yè)務。但應當記住的是，量子計算走到今天，有賴于成千上萬數(shù)學家、實驗物理學家和工程師的努力。而這種進步和創(chuàng)新也絕非是單一技術的突破，事實上，量子計算的進步倚賴的是激光刀低溫學等其他幾十個領域的進步。而如若我們想要看到更多這類的成功，就應當記住，大量沒那么光鮮的工作必須有人去身先士卒。
責任編輯:tzh