量子計(jì)算何時(shí)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化價(jià)值?

研制量子計(jì)算機(jī)邁出的第一步是在大學(xué)黑板上進(jìn)行的大量深?yuàn)W的數(shù)學(xué)運(yùn)算。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，包括美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)和德國(guó)在內(nèi)的各國(guó)政府合計(jì)已投入數(shù)十億美元以推進(jìn)量子研究。如今這項(xiàng)已經(jīng)發(fā)展幾十年的技術(shù)終于成為了一個(gè)商業(yè)命題。

2020年是后“量子霸權(quán)”（或稱“量子優(yōu)越性”）元年，世界對(duì)量子計(jì)算的投入持續(xù)上漲，技術(shù)和生態(tài)蓬勃發(fā)展，多個(gè)平臺(tái)異彩繽紛。2020年12月，中國(guó)的76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”的問世，讓中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。

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

那么量子計(jì)算到底有哪些“非凡”之處？量子計(jì)算能不能成為IC產(chǎn)業(yè)革命性的重要力量？相關(guān)的研究和應(yīng)用處于怎樣的階段？日前獨(dú)家連線專訪了耶魯大學(xué)應(yīng)用物理教授Steven Girvin。Steven Girvin研究量子力學(xué)多年，2020年開始任美國(guó)布魯克黑文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室C2QA量子優(yōu)勢(shì)聯(lián)合設(shè)計(jì)中心負(fù)責(zé)人，布魯克黑文是今年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和能源部撥款資助的五個(gè)量子研究院之一。

量子計(jì)算VS傳統(tǒng)計(jì)算

所謂量子計(jì)算，簡(jiǎn)單來說，就是依據(jù)量子物理定律來處理信息的新型計(jì)算方式。Girvin指出，量子物理始于一個(gè)世紀(jì)以前，發(fā)展成熟但一直變化不大。直到近幾十年來，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界才逐步意識(shí)到量子技術(shù)有尚未被發(fā)掘的強(qiáng)大力量。

Girvin進(jìn)一步解釋，普通的電腦使用二進(jìn)制數(shù)，0和1是基本算符，每個(gè)數(shù)字稱為一個(gè)位元（二進(jìn)制位，或稱比特）。但了解了量子力學(xué)和不確定性原理之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)量子系統(tǒng)的單位能夠處在不確定狀態(tài)中?！岸@一發(fā)現(xiàn)的真正意義在于，（利用量子力學(xué)的特性）可以使電腦它真正的意義是電腦能同時(shí)進(jìn)行多線運(yùn)算，即能同時(shí)考慮到位元是0和位元是1時(shí)的兩種情況。而當(dāng)這一能力延申到多個(gè)位元上，也就是量子位元，計(jì)算機(jī)能同時(shí)做的事就會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)，如此就能做到現(xiàn)有的傳統(tǒng)電腦不可能完成的某些計(jì)算任務(wù)?！盙irvin指出。

簡(jiǎn)而言之，利用量子力學(xué)的反直覺特性，可以大幅加速某些類型的計(jì)算。這讓量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面（如機(jī)器學(xué)習(xí)，密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等）相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。

“當(dāng)問題越來越復(fù)雜，數(shù)據(jù)庫越來越大，或者變量越來越多時(shí)，在傳統(tǒng)電腦上執(zhí)行這種計(jì)算的難度系數(shù)就會(huì)指數(shù)增長(zhǎng)，難以執(zhí)行。而這種難度在量子計(jì)算機(jī)上增長(zhǎng)得會(huì)慢一些?！盙irvin指出量子計(jì)算的長(zhǎng)遠(yuǎn)潛能。

以機(jī)器學(xué)習(xí)為例，關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)的一種思考方式是將其視作優(yōu)化問題，即計(jì)算機(jī)試圖在數(shù)百萬個(gè)變量之間折中取舍，以求出誤差盡可能小的解。而量子計(jì)算機(jī)則有望大大提高計(jì)算速度，從而在優(yōu)化問題中的表現(xiàn)遠(yuǎn)勝過普通電腦。

“量子計(jì)算機(jī)還處于普通電腦1940年的階段”

那么目前學(xué)術(shù)方面量子計(jì)算的研究到哪一步了呢？對(duì)此，Girvin的結(jié)論是，盡管領(lǐng)域每天都會(huì)有很多進(jìn)展，以求做出更大更有用的量子計(jì)算機(jī)，但是技術(shù)上還沒有準(zhǔn)備好，“我們?nèi)蕴幱诘诙瘟孔痈锩某跫?jí)階段?！?/p>

Girvin說，目前人類在量子世界中的研究進(jìn)展相當(dāng)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(gè)階段相當(dāng)于普通電腦在1940年的時(shí)候，非常初級(jí)，非常簡(jiǎn)單，只有少量的量子位元。”Girvin指出，目前的量子計(jì)算機(jī)雖然已經(jīng)有一些應(yīng)用，人們已經(jīng)能從網(wǎng)上接入量子計(jì)算機(jī)，在上面簡(jiǎn)單地編碼實(shí)驗(yàn)，但總體上仍處于研究階段，還談不上有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

而對(duì)于量子計(jì)算的能力，全球的研究也尚處于很初級(jí)的階段。Girvin指出，過去二十年來，一個(gè)巨大的進(jìn)步是量子位元保留信息的時(shí)間增長(zhǎng)了一百萬倍。

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

他進(jìn)一步解釋，事實(shí)上，量子位元能同時(shí)處于0和1的疊加狀態(tài)這一特性，既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。缺點(diǎn)是這種疊加狀態(tài)對(duì)外界環(huán)境的噪音、攝動(dòng)和干擾極度敏感，因此需要設(shè)計(jì)更穩(wěn)定的量子位元，要能更長(zhǎng)時(shí)間地保持量子狀態(tài)才能做出更復(fù)雜的電路，才能在運(yùn)行大型算法時(shí)保持量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。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(dǎo)量子位元和超導(dǎo)微波電路的重要原因。

Girvin指出，當(dāng)前研究的最大挑戰(zhàn)之一就是量子糾錯(cuò)，或者設(shè)計(jì)容錯(cuò)率高的電路，這其中的關(guān)鍵是需要大量量子位元，因?yàn)楸M管每一個(gè)位元都是不完美的，但是整個(gè)集合能完成近乎完美的運(yùn)算?！袄碚撋线@是可以完成的，但我們?nèi)蕴幵谔剿鞯某跫?jí)階段，在練習(xí)，在實(shí)驗(yàn)。”

此外，基于量子計(jì)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(jìn)行編程時(shí)，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(dāng)時(shí)的程序員都飽受硬件編程之苦。直到數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾伊曼和他的合作者們發(fā)明了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)——一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。Girvin認(rèn)為，目前在量子計(jì)算的研究上，也正在經(jīng)歷著這方面的同比，并進(jìn)入一個(gè)尋求優(yōu)化方案的時(shí)代。

各國(guó)的量子角逐賽

盡管關(guān)于量子計(jì)算的研究尚有諸多挑戰(zhàn)，但研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界各個(gè)大國(guó)角逐的焦點(diǎn)。

為什么量子計(jì)算領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)這么重要？對(duì)此，Girvin認(rèn)為，量子技術(shù)將給各國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)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(jì)算未來可能的重要應(yīng)用中，IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域可望得到受益。Girvin指出，芯片設(shè)計(jì)上有大量?jī)?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(zhǎng)等，這一切都必須依賴計(jì)算機(jī)來計(jì)算。

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

由人工智能等一系列前沿應(yīng)用引發(fā)的對(duì)計(jì)算能力的需求不斷激增，這讓摩爾定律和馮諾依曼架構(gòu)的瓶頸日益凸顯。在過去50年里，傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)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(gè)月翻一番。如今，數(shù)字計(jì)算機(jī)性能的發(fā)展速度似乎正在放慢，馮諾依曼計(jì)算架構(gòu)不斷抵近極限，即內(nèi)存的讀取速度和芯片的處理速度漸漸難以實(shí)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(gè)國(guó)家關(guān)注的量子計(jì)算領(lǐng)域也有所不同，不過主要集中在量子信息處理（或者量子計(jì)算）、量子溝通以及量子傳感三個(gè)領(lǐng)域，而三個(gè)領(lǐng)域又是緊密相連的。除了已經(jīng)談?wù)擃H多的量子計(jì)算外，量子溝通研究在量子力學(xué)范圍內(nèi)最大限度地精確測(cè)量微小信號(hào)；量子傳感可用于探測(cè)微小的無線電信號(hào)，射電天文學(xué)者或工程師用來探測(cè)微小磁場(chǎng)，藥物研發(fā)、基礎(chǔ)科學(xué)和工程中也有很多應(yīng)用。

“每個(gè)國(guó)家都會(huì)對(duì)這三個(gè)領(lǐng)域有所涉獵，只是投資水平不同。近年來中國(guó)在量子溝通上下了很多功夫，量子計(jì)算也是?！盙irvin說。

前不久問世的中國(guó)的76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要用6億年。標(biāo)志著中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”（國(guó)外也稱之為“量子霸權(quán)”）的國(guó)家。

此外，歐洲也在量子溝通上大量投入，包括超導(dǎo)量子位元和冷原子。美國(guó)正在開始研究量子溝通，關(guān)注的也是超導(dǎo)量子位元和量子溝通。Girvin領(lǐng)導(dǎo)的其中一個(gè)美國(guó)國(guó)家量子研究院，更多地關(guān)注短距離溝通，將模組和電腦群連接在一起。

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

何時(shí)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化價(jià)值？

近期，風(fēng)險(xiǎn)資本開始流入圍繞量子計(jì)算的公司。投資者開始在這項(xiàng)常處于初期的技術(shù)上大膽下注，他們認(rèn)為，即使目前量子計(jì)算機(jī)尚規(guī)模有限、易出錯(cuò)、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(jì)算機(jī)能有效解決什么問題還為時(shí)過早。他指出，學(xué)術(shù)領(lǐng)域和在資本領(lǐng)域?qū)Υ苏f法略有不同，“資本或許會(huì)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，尋求可用但或許并不完美的解決方案?！盙irvin對(duì)量子技術(shù)的發(fā)展階段保持懷疑態(tài)度，但他表示即便當(dāng)前量子計(jì)算仍處于早期發(fā)展階段，他對(duì)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(shí)間才發(fā)展到現(xiàn)在的超級(jí)電腦。所以量子計(jì)算機(jī)的大規(guī)模生產(chǎn)使用也可能要50年?！盙irvin指出，不過鑒于現(xiàn)在很多人對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展傾注精力，他認(rèn)為十年左右有望看到量子計(jì)算的重大突破，甚至看到具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，而大概五年之后，能做出容納更多量子位元、儲(chǔ)存時(shí)間更長(zhǎng)的量子計(jì)算機(jī)來進(jìn)行更復(fù)雜的運(yùn)算，解決科學(xué)上的難題。

但Girvin同時(shí)強(qiáng)調(diào)，未來往往是不可預(yù)測(cè)的。一般來說研發(fā)新技術(shù)新工程時(shí)總會(huì)高估短期成果，而低估其長(zhǎng)期可能帶來的顛覆影響，因而Girvin認(rèn)為，當(dāng)前我們還不知道量子力學(xué)的全部應(yīng)用，正如發(fā)明晶體管的人也不知道它會(huì)被用來播放音樂，不知道激光會(huì)被用來傳輸音樂?！斑@些技術(shù)和器件最終真正的使用方式會(huì)令其研發(fā)者大吃一驚。”量子計(jì)算機(jī)在未來將帶來的驚喜也同樣如此。

結(jié)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(shù)拿來，試圖創(chuàng)立長(zhǎng)久有利可圖的業(yè)務(wù)。但應(yīng)當(dāng)記住的是，量子計(jì)算走到今天，有賴于成千上萬數(shù)學(xué)家、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和工程師的努力。而這種進(jìn)步和創(chuàng)新也絕非是單一技術(shù)的突破，事實(shí)上，量子計(jì)算的進(jìn)步倚賴的是激光刀低溫學(xué)等其他幾十個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步。而如若我們想要看到更多這類的成功，就應(yīng)當(dāng)記住，大量沒那么光鮮的工作必須有人去身先士卒。
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