量子計算的六個問題你有嗎

目前，全球關(guān)于量子計算的競賽持續(xù)升溫，尤其是當谷歌的“量子霸權(quán)”論文出來，引發(fā)各種口水戰(zhàn)。美國的量子口水戰(zhàn)引發(fā)全球產(chǎn)業(yè)對量子計算的進一步關(guān)注，中國的量子計算怎么樣，大家同樣期待了解。12月12日，一家中國的量子創(chuàng)業(yè)公司——合肥本源量子計算科技有限公司在合肥高新區(qū)的一個舉動引起關(guān)注，其推動的“本源量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟OQIA”正式掛牌。就中國量子計算的現(xiàn)狀，中國量子計算與美國的主要差距，全球量子計算的主要挑戰(zhàn)，量子計算的現(xiàn)狀與未來，日前《中國電子報》記者獨家采訪了合肥本源量子計算公司的副總裁張輝博士。

中美差距有多大？

可以說，2019年是美國“量子計算”的高光之年，量子計算之所以引發(fā)關(guān)注是因為兩件大事一是IBM公司將量子計算機搬到了年初的消費電子展CES上，讓這個神秘的“計算大佬”真實的走到了大眾面前，另一件大事是谷歌在《自然》雜志上發(fā)文，宣告量子霸權(quán)，引發(fā)一系列口水戰(zhàn)。而一直低調(diào)的中國量子計算與國外巨頭相比處于什么水平？從量子位來看，中國現(xiàn)在研發(fā)出來的最高量子位又是多少a？

張輝表示，從科研的水準上看，比如超導(dǎo)體系（谷歌、IBM主要技術(shù)路線）方向上，中國與國外有兩至三年的差距；半導(dǎo)體體系（intel主要技術(shù)路線）方向上，中外差距在一至兩年。然而，要將量子計算機整機實現(xiàn)出來，還會涉及許許多多工程化、工藝化方面的問題和挑戰(zhàn)，這是我國相對薄弱的環(huán)節(jié)，考慮這個因素的話，中外差距會有4-5年，甚至更大。目前，國際上最主流的超導(dǎo)量子芯片方向上來看，今年下半年中科大潘建偉院士團隊、浙江大學(xué)團隊、北京量子研究院團隊聯(lián)合研發(fā)實現(xiàn)了20位量子比特糾纏（量子糾纏是量子計算的部分功能）的工作，這是國內(nèi)的最高水準。這距離谷歌、IBM的50多位的量子計算芯片仍有較大差距。

據(jù)透露，合肥本源量子公司將在明年搭建中國第一臺量子計算原型機，具有全自主知識產(chǎn)權(quán)的。原型機將搭載6比特超導(dǎo)芯片，技術(shù)指標達到IBM在2016年時的工作水準;同時，原型機將搭載另一款2比特的半導(dǎo)體芯片，這相當于Intel在2018年的水準。

據(jù)介紹，本源量子在2017年9月成立，由中科院量子信息重點實驗室孵化成立公司，其最大使命就是推進量子計算機的工程化、工藝化和商業(yè)化，把量子計算機從實驗室?guī)У浆F(xiàn)實中。本源量子明年推出量子計算原型機，目前已申報進入安徽省發(fā)改委攻堅計劃項目。如果明年順利完成原型機搭建工作，將標志著我們國家有能力自主完成量子計算機的研發(fā)和生產(chǎn)。

未來技術(shù)路線誰來主導(dǎo)？

目前全球各大公司在量子計算的推進上采取了不同的技術(shù)路線，有光學(xué)的，有超導(dǎo)的。本源量子采取什么技術(shù)路線，商業(yè)化還需要多久？

張輝表示：“本源量子采取的路線與英特爾的技術(shù)路線有些相似?！庇浾叽饲安稍L了英特爾公司美國研究院院長Rich Uhlig，其透露英特爾的量子計算研究是從兩個方向來推進的，既包含了超導(dǎo)量子，也包含自旋量子。在早期時候，英特爾是以雙管齊下的方式進行研究的，最近英特爾內(nèi)部已經(jīng)將研究技術(shù)路線更聚焦在硅自旋量子計算上。

張輝介紹，本源量子采取的路線是超導(dǎo)和半導(dǎo)體兩種體系同時推進。IBM和谷歌的技術(shù)路線主要是超導(dǎo)，英特爾是兩種路線都在做。從目前的進度來看，英特爾對硅基半導(dǎo)體量子更加側(cè)重，而微軟則是基于拓撲量子計算的方式。

而從商業(yè)化的角度看，IBM商業(yè)化做得最好，其對外宣稱是希望在5年左右時間達到商用化，谷歌對外宣稱量子計算機的商業(yè)化需要10年。“從國內(nèi)發(fā)展情況來看，我們與IBM、谷歌肯定有差距，但希望差距會不斷縮小，但估計還是需要10年以上才能商業(yè)化，預(yù)計是10~15年?！睆堓x說。

產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是應(yīng)用落地的推手嗎？

目前，包括IBM等公司都是以產(chǎn)學(xué)研用組成聯(lián)盟的方式推進量子計算的協(xié)同合作，與他們相比中國的量子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟有什么不一樣的地方？

張輝表示，IBM在2017年推行了一個全球量子計算的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，這個聯(lián)盟包括了高校、企業(yè)、用戶等。IBM的量子計算目前是商業(yè)化運作的最好的公司，他們的聯(lián)盟是非常前沿和具有意義的。

“我們也是學(xué)習(xí)和借鑒了IBM的做法，今年12月12日，本源量子計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟掛牌成立，聯(lián)盟的意義在于，本源有一個先進的計算機工具，但是缺乏金融、生物醫(yī)藥、材料等行業(yè)經(jīng)驗和資源，希望通過聯(lián)盟方式找到合作伙伴，獲取各個行業(yè)的經(jīng)驗、資源、以及所面臨的問題，并把這些資源和問題梳理轉(zhuǎn)化成物理和數(shù)學(xué)模型，再用量子計算機和軟件算法去解決問題?！睆堓x說，比如IBM聯(lián)合金融巨頭摩根大通公司來共同研究金融策略優(yōu)化、海量數(shù)據(jù)檢索等問題，推動量子計算快速向金融領(lǐng)域應(yīng)用落地。在真正的量子計算機實現(xiàn)之前，他們的做法是先進行算法研究，從理論上或簡單的模型上，驗證量子計算是否對解決相關(guān)問題有指數(shù)級加速的效果，這些成果他們通過申請知識產(chǎn)權(quán)和專利保護起來。

據(jù)張輝介紹，本源量子在2018年就開始了尋求聯(lián)盟合作的工作，找了一些國內(nèi)在人工智能、生物醫(yī)藥、無人駕駛等領(lǐng)域的優(yōu)秀企業(yè)，共同探索量子計算的應(yīng)用場景。2019年，合肥高新區(qū)政府覺得這件事情很有意義，于是參與推進聯(lián)盟的工作。同時，高新區(qū)結(jié)合自身的雙創(chuàng)平臺和政策，期望量子計算的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟可以孵化出一批創(chuàng)業(yè)者和創(chuàng)業(yè)公司。

張輝透露，目前本源的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與IBM工作類似。聯(lián)盟伙伴分為：第一類是高校、研究機構(gòu)，比如國內(nèi)多家雙一流高校在這個聯(lián)盟里，我們共同培養(yǎng)量子計算的人才，并共同建立一些合作項目。第二類是應(yīng)用面上或是產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)，比如人工智能領(lǐng)域的云從科技、中科類腦。未來可以運用量子計算技術(shù)的，也包括比如做超低溫的中船鵬力等企業(yè)都提供了量子計算機供應(yīng)鏈上的支持。第三類是同行者，那些量子計算方向的企業(yè)，從這點來看，目前國內(nèi)的情況相對較差，數(shù)量很少。而美國除了巨頭公司外還有一兩百家創(chuàng)業(yè)公司，構(gòu)建起了很好的生態(tài)，各有專長，相互支撐。

“但是我們相信在接下來的一兩年，國內(nèi)一定會有一批量子計算方向上的企業(yè)出來，希望后面有越來越多的伙伴出現(xiàn)?！睆堓x說。

據(jù)張輝介紹，今年6月，本源量子發(fā)布了全球第1款量子化學(xué)應(yīng)用軟件chemiQ，這是一款應(yīng)用前景非常大的軟件，比如用于未來的生物制藥、材料發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域。目前，受限于量子芯片的發(fā)展還處于初期，只能讓它演示氫分子、水分子等最簡單的分子模型。但隨著量子芯片的發(fā)展，尤其是比特數(shù)的提升，其將展現(xiàn)出越來越強大的功效。目前，本源已與生物醫(yī)藥方向上的企業(yè)開展了前期的研究工作。

全球量子計算還有哪些挑戰(zhàn)？

關(guān)于全球的量子計算挑戰(zhàn)，張輝表示，從當前的技術(shù)發(fā)展來看，其實連最底層的物理載體到底是用哪個載體都還沒有定論。我們現(xiàn)在看到科研界比較多的是用光學(xué)體系、離子阱等技術(shù)來做量子計算研究。而在企業(yè)工程化方向上，這幾年量子計算機研究的主流是在超導(dǎo)和半導(dǎo)體方向上（我們統(tǒng)稱為其為固態(tài)器件）。這得益于人類技術(shù)的突破，在固態(tài)器件上把量子相干時間（即物理體系保持量子相互作用效應(yīng)的時間），從原來的納秒級別（就是10的負9次方秒）提升到百微秒級（10的負4次方秒），就可以保證量子計算能夠操作幾百次到上千次。固態(tài)器件方向上的進步使得量子計算一下子變得特別熱，谷歌、IBM、英特爾等大批公司都壓寶在這個方向上。

光學(xué)和離子阱等體系最大的優(yōu)勢是相干時間很長，但其缺點是可擴展性和可操控性方面不理想。量子計算早期研究階段，用光學(xué)和離子阱體系的團隊很多，有許多出色的工作產(chǎn)生。而固態(tài)器件體系上，其最大的優(yōu)勢是未來的可擴展性強、可操控性強，并基于人類在經(jīng)典計算機上積累了大量先進的工藝技術(shù)，所以包括英特爾等電子計算機行業(yè)的巨頭企業(yè)都希望將量子計算機在超導(dǎo)和半導(dǎo)體上來實現(xiàn)。目前，固態(tài)器件方向上的研究，最大的挑戰(zhàn)是要提高相干時間和系統(tǒng)保真度。保真度可以理解為每次操作的成功功率，在計算機體系里，為了實現(xiàn)每一次操作的精準性，會使用糾錯容錯的方式，這些都需要消耗額外多的物理比特資源。

云計算巨頭為何熱衷量子服務(wù)？

目前，包括IBM、微軟、亞馬遜等都在采用云計算的方式提供有關(guān)量子訪問與服務(wù)給科學(xué)家和程序員，中國的量子計算與中國的云計算廠商有合作計劃嗎？

張輝表示，利用云計算來提供服務(wù)是在經(jīng)典計算機領(lǐng)域上的經(jīng)驗。這里，先對于量子計算機有幾個誤區(qū)要消除，一是很多人會問量子計算機如此強大，是不是通用量子計算機造出來就會取代傳統(tǒng)的經(jīng)典計算機？這是一個誤區(qū)，經(jīng)典計算機功能很強、算法成熟，依然有很大的應(yīng)用空間，而量子計算機只是解決一類問題比較強。所以，目前來看，量子計算機和經(jīng)典計算機會是個需要融合的系統(tǒng)。二是量子計算機并不需要進入到每個企業(yè)甚至每個家庭，量子計算機目前看來造價非常昂貴，而且要求的工作環(huán)境極其苛刻。量子計算機造出來，它主要是用來解決需要巨大的算力的場景。就好比我們在經(jīng)典計算時代，我們的經(jīng)驗是通過云端互動把超算資源服務(wù)給大眾即可，那么這樣的經(jīng)驗也可以用在量子計算上，我們通過電腦、手機等工具把需要量子計算機解決的問題提交給量子云，由其背后的量子計算機處理和解決問題之后把結(jié)果反饋給你。這是通用做法，所以包括IBM、微軟、亞馬遜都上線了量子云服務(wù)。

張輝進一步介紹，本源量子是在2017年年底上線的量子云的，清華、阿里、華為也都有量子云服務(wù)，這是通行做法，利用云服務(wù)的方式給用戶和愛好者提供訪問和服務(wù)。本源量子的量子云服務(wù)目前主要是提供公司自主研發(fā)的開發(fā)軟件、匯編語言等，可以讓開發(fā)者在云上進行學(xué)習(xí)。明年本源公司量子計算原型機出來后，會同步上線到云端，雖然6個量子比特的量子計算機還是比較初級、比較笨的機器，但是可以讓開發(fā)者進行體驗。

張輝介紹說，目前還有一個比較主流方式是用經(jīng)典計算機來提供量子虛擬機功能，就是用經(jīng)典計算模擬量子芯片，這好比人類發(fā)射真正的宇宙飛船之前，會把宇航員放在個模擬倉里讓他先適應(yīng)和訓(xùn)練一樣。量子計算可以用經(jīng)典計算機模擬量子芯片的工作原理和運行邏輯，讓我們的很多軟件和算法在模擬器上先跑一跑，看他們是不是能夠跑起來，看看這些軟件和算法的邏輯是不是通的，驗證其趨勢是不是有明顯的指數(shù)級提升?，F(xiàn)在我們用經(jīng)典計算機可以模擬的量子計算環(huán)境最高可以達到200個比特以上。

如何跨越量子計算的“死亡谷”？

據(jù)介紹，合肥本源量子是中國第一家量子計算方向的創(chuàng)業(yè)公司。按照張輝給出的介紹，本源量子的最大優(yōu)勢是人才隊伍，以及依托著中科大的量子信息實驗室的先進研究技術(shù)，由中科大量子實驗室做“123”的工作，本源做“456”階段的工作。本源在過去兩年里，受到投資人的大力支持，種子輪和天使輪獲得了8000萬的融資，明年將開啟pre-A輪融資。

什么是“123”、“456”呢？關(guān)于這個問題，張輝表示，我們常形容一個新技術(shù)從研發(fā)到走上市場成為產(chǎn)品的發(fā)展需要1到9步?！?23”是技術(shù)的研發(fā)和探索階段，在高校實驗室或科研機構(gòu)做，這個階段可以通過獲取國家科研經(jīng)費來支撐。“789”是產(chǎn)品化、商業(yè)化的階段，我們國內(nèi)許多巨頭企業(yè)，如BAT、華為等，都非常擅長這個階段的運作。而“456”的階段，是把技術(shù)從科研品轉(zhuǎn)化為市場產(chǎn)品的過程，很多人形容這個區(qū)域是個死亡谷，國內(nèi)極少有人和企業(yè)愿意跨在這個階段里，既不能靠發(fā)文章拿錢，又無法實現(xiàn)商業(yè)盈利，本源量子就處在這個谷里?！笆聦嵣?，做量子計算是件非常燒錢的事，在我們實驗室里僅儀器設(shè)備就投入了5，6個億，還要每天不斷的消耗各種資源，所以一般企業(yè)是玩不起，尤其是硬件投入方面?！睆堓x說。相比來說，美國的研究生態(tài)要好得多，許多巨頭公司愿意砸錢到“硬科技”的研究上，國家也能積極引導(dǎo)和給予支持，比如谷歌量子團隊在宣布量子霸權(quán)之后谷歌再向團隊支持10億美金，支持他們向通用量子計算機前進。

既然量子計算如此燒錢，我們有必要投入如此巨大來做量子計算嗎？張輝說，當然有必要。隨著人類發(fā)展，對數(shù)據(jù)量的需求已經(jīng)遠遠超出目前算力所及，需要不斷尋找新的算力突破。比如說人類研制新藥，傳統(tǒng)的方式是靠經(jīng)驗篩選，經(jīng)過一層層試驗，從小白鼠到最后用到人體上，一個新藥研制周期至少需要20、30年以上，而未來其中的很多環(huán)節(jié)都可用量子計算機來模擬，能大大縮短研發(fā)時間，其中的經(jīng)濟價值和社會價值是無法估量的。聽上去量子計算機和我們百姓日常生活關(guān)系不大，但其實許許多多方面是息息相關(guān)的，未來你吃的藥、開的車、花的錢，背后都很可能是量子計算機在支撐著服務(wù)。

那么，量子計算未來的商業(yè)市場大嗎？張輝回應(yīng)說，想象空間無限大，人工智能、金融分析、生物醫(yī)藥、材料能源、氣象海洋、航空航天等等，都是量子計算所能輻射的領(lǐng)域?！拔覀兂０腴_玩笑，做量子芯片的很可能誕生下一個“英特爾”，做量子軟件的有可能誕生下一個“微軟””，圍繞量子計算產(chǎn)業(yè)鏈上一定會誕生一批巨頭企業(yè)，還有無限想象的應(yīng)用場景。

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