千呼萬(wàn)喚，何時(shí)出來(lái)？巨頭們重金砸量子計算機會(huì )不會(huì )打水漂？

當全世界計算機領(lǐng)域的巨頭們都興奮于量子計算火候已到，紛紛豪擲重金投入這場(chǎng)“未知”風(fēng)口時(shí)，我們不妨冷靜地來(lái)看看它究竟成長(cháng)到了哪個(gè)階段~

談到量子技術(shù)，我們不約而同都會(huì )想到量子通信。在全球首顆量子通信衛星“墨子號”的重磅代言下，量子通信一詞成功打入人民群眾內部。

但其實(shí)，通信只是量子技術(shù)應用的一個(gè)領(lǐng)域而已，作為一項底層技術(shù)，量子技術(shù)的應用標地可不僅限于此。根據英國政府科學(xué)辦公室近期發(fā)布的一份量子技術(shù)報告《量子技術(shù)：時(shí)代機會(huì )》，這里邊就提及了未來(lái)量子應用的五大領(lǐng)域，分別是：原子鐘、量子成像、量子傳感和測量、量子計算和模擬、量子通信。該報告還認為，這幾大領(lǐng)域有望挖掘出新產(chǎn)品和新服務(wù)價(jià)值。

于是我們今天就來(lái)看看多面量子的另一面：量子計算。

量子計算之于物聯(lián)網(wǎng)的重要性

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)體量的不斷擴增，大數據和計算性能凸顯出愈加重要的地位。日益激增的大數據流急需更加敏捷和精準的分析處理技術(shù)，因此對現有的計算性能提出了更高的要求。

另一方面，計算領(lǐng)域近年來(lái)受制于摩爾定律的大限，硅芯片逼近物理和經(jīng)濟成本上的極限，從業(yè)者們紛紛開(kāi)始尋求芯片集成度以外的突破點(diǎn)。在此，量子計算被寄予厚望，與內存中運算、分子電子學(xué)、神經(jīng)形態(tài)計算等技術(shù)一起，被看做是未來(lái)有望驅動(dòng)計算性能的指數級增長(cháng)的“拯救者”。

最近大火的人工智能也要依賴(lài)量子計算——人工智能領(lǐng)域最大的挑戰之一就是處理海量數據，而這正是量子計算機的優(yōu)勢所在。早在2015年中科大就測試過(guò)能夠辨認手寫(xiě)字體的量子人工智能，而那僅僅是一臺4 qubits的量子計算機，難以想象千位量子計算機會(huì )是一種怎樣的概念。

MIT機械工程教授Seth Lloyd說(shuō)，一臺300Q的量子計算機就足以運算自宇宙大爆炸以來(lái)歷史上所有的數據信息。IBM認知計算系統Watson的CTO表示，量子計算和人工智能的協(xié)同合作是一件非常自然的事情。如果人工智能想要超越并提升人類(lèi)的認知水平，運算必須要更快，探測更敏捷，耗能更低。量子計算機極有可能幫助我們實(shí)現所有的目標。

一旦真正意義上的千位通用量子計算機面世，在很多領(lǐng)域都會(huì )掀起計算革命。

先聲明一點(diǎn)，量子計算機不是用來(lái)取代經(jīng)典計算機的，而是為了處理經(jīng)典計算機無(wú)法解決的問(wèn)題。

那么，量子計算機是什么？首先，要知道量子是什么。

一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱(chēng)為量子。所有的微觀(guān)粒子包括分子、原子、電子、光子，它們都是量子的一種表現形態(tài)。世界本身都是由微觀(guān)粒子組成的。所以，某種意義而言，我們身處的這個(gè)世界就是由量子組成的。

其次，量子計算是什么？

量子計算是一門(mén)利用量子力學(xué)現象（例如量子疊加態(tài)和量子糾纏態(tài)）對數據進(jìn)行處理的計算科學(xué)。在最終的運算結果上，量子計算機和傳統計算機沒(méi)有任何不同，它們唯一的不同在于運算過(guò)程中的天壤之別。

一般而言，由晶體管構成的傳統比特在特定時(shí)刻只能處于0或1這兩種狀態(tài)中的一種，所以計算能力有限。然而，量子比特可以處于0和1的疊加態(tài)。若某個(gè)量子比特和其他量子比特彼此之間存在糾纏態(tài)，那么這一組量子比特可以同時(shí)表示大量的數。而一臺真正意義上的量子計算機將包含幾百甚至上千個(gè)量子比特，其計算能力將是無(wú)比強大的。

另一方面，量子計算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會(huì )出現非可逆操作，熵增原理導致的量子效應耗能很小，正是提高量子計算并行運算能力的物理基礎。

最后，量子計算機就是遵循并利用量子力學(xué)規律，進(jìn)行高速運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。其運行的是量子算法，處理速度驚人，比起傳統計算機，量子計算機的計算處理能力可提升百億億倍。

知道了什么是量子計算機，那不妨來(lái)回顧下量子計算機短小精悍的成長(cháng)史：

史蒂芬·威斯納在1969年最早提出“基于量子力學(xué)的計算設備”。1980年代一系列的研究使得量子計算機的理論變得豐富起來(lái)。在1981年五月的MIT物理學(xué)和計算機技術(shù)的一次會(huì )議上，1918年出生的美國物理學(xué)家理查德·費曼，作了一個(gè)“Simulating Physics With Computers”的報告，揭開(kāi)了研究發(fā)展量子計算機的新篇章。

大事記列表

1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出“量子計算機”的概念。

1994年，貝爾實(shí)驗室的彼得·秀爾證明量子計算機能夠完成對數運算，且速度遠勝傳統計算機。

1997年，科學(xué)家首次用一對糾纏光子實(shí)現了量子信息傳輸。

2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機。

2007年，維也納大學(xué)的安東·齊林格和他的同事們用一對糾纏光子在加那利群島的兩個(gè)島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過(guò)了143千米。

2010年1月，美國哈佛大學(xué)和澳洲昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計算機準確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國于利希研究中心發(fā)表公報：該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機。

2012年3月，IBM做到了在減少基本運算誤差的同時(shí)，保持量子比特的量子機械特性完整性。

沒(méi)有巨頭愿意輸在量子計算起跑線(xiàn)

近來(lái)全球許多國家和機構都在爭相研發(fā)量子計算機,除了美國的谷歌、IBM、耶魯大學(xué)等機構之外,日本、澳大利亞等國家也另辟蹊徑，潛心開(kāi)展了量子計算芯片等的研制項目。

在國內通過(guò)不同方法開(kāi)展量子芯片研究的有中國科技大學(xué)、南京大學(xué)和中科院物理所等單位,分別采用了半導體量子點(diǎn)芯片、超導量子芯片的方案；企業(yè)投入研發(fā)者較少。

IBM

2014年，IBM宣布耗資30億美元研發(fā)下一代芯片，主要是量子計算和神經(jīng)計算。2016年的5月，IBM發(fā)布了5個(gè)量子比特的量子計算云服務(wù)。

現在IBM正在研發(fā)基于超導效應的量子邏輯門(mén)架構的通用量子計算機。其中，IBM還完成了兩個(gè)很重要的突破：

一是同時(shí)檢測兩種量子誤差（quantum errors）：1. bit-flip， 2. phase-flip。從而大大增強量了子計算機的穩定性。二是IBM提供了有史以來(lái)最好的可擴展性。當然落實(shí)在實(shí)際硬件開(kāi)發(fā)應該還會(huì )有新的問(wèn)題。IBM接下來(lái)的目標應該是把量子比特加到50至100。再往后就需要更多的研發(fā)資源了。

谷歌

2014年，谷歌宣布：來(lái)自加州大學(xué)圣巴拉拉分校的知名物理學(xué)家約翰·馬提尼斯研究組加入谷歌研發(fā)量子計算處理器， 隨后，美國宇航局NASA與谷歌合作開(kāi)發(fā)出D-Wave量子模擬機，并宣布對某些問(wèn)題的求解速度已超過(guò)傳統計算機1億倍。

但學(xué)術(shù)界還是有許多人認為這不是真正的通用量子計算機，而是量子退火機：量子退火算法則是量子力學(xué)的絕熱演化過(guò)程，模擬了量子力學(xué)里的量子隧穿效應。

谷歌在2016年9月提出“quantum supremacy”量子機研制計劃，并在其公布的量子計算機研究報告中稱(chēng)，它們計劃明年增加至49量子比特！這是一個(gè)極為關(guān)鍵的門(mén)檻。有學(xué)者預計，在50量子比特左右，量子計算機就能達到“量子霸權”。這對于計算機產(chǎn)業(yè)鏈的從業(yè)者們，簡(jiǎn)直是比中500萬(wàn)個(gè)大訂單更有誘惑力。

對于只能解決特定問(wèn)題的量子計算機，谷歌為何如此熱衷呢？可能是因為量子退火機運行的算法和谷歌最關(guān)心的領(lǐng)域有關(guān)，比如用于搜索。另外，MIT研究員William Oliver也認為，這些特定算法可能非常有利于模式識別和機器學(xué)習。這些恰恰都是谷歌的主力業(yè)務(wù)。

英特爾

去年年末，英特爾宣布，不走谷歌的“超導材料”路線(xiàn)，而是要用硅材料來(lái)開(kāi)發(fā)量子計算機。

英特爾在美國俄勒岡州波特蘭擁有一支量子硬件工程師團隊，他們正與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)QuTech量子研究所的研究人員展開(kāi)合作。2015年，雙方共同成立了規模5000萬(wàn)美元的項目。

這種戰略讓英特爾在眾多研究量子位的工業(yè)和學(xué)術(shù)團體中表現突出。量子計算機的基本單元是量子位。其他公司利用超導電路去實(shí)現量子位，但英特爾認為，這樣的量子位數量有限，量子計算機需要數千或數百萬(wàn)的量子位才能得以廣泛應用。因此，選擇硅量子位更容易完善和擴展硅量子位，從而讓其快速計算。

英特爾曾報告稱(chēng)，他們現在可以在芯片工廠(chǎng)中，將量子計算機所需的超純硅層加到標準芯片上。

微軟

早在2005年，微軟就建立了“Q站”（StationQ），由數學(xué)家米切爾·弗里德曼（Michael Freedman）領(lǐng)導，從事量子計算基礎研究。目前已經(jīng)基本完成了基本量子比特模塊的設計，正在進(jìn)行樣機設計。

微軟認為，量子計算正處在理論研究轉向工程研發(fā)的轉折點(diǎn)?？紤]到一旦成功帶來(lái)的巨大收益，微軟不惜豪擲重金冒量子之險。

量子計算火候已到，微軟不想錯過(guò)這樣一個(gè)風(fēng)口。最近，微軟宣布將著(zhù)手量子計算工程樣機研發(fā)，把已經(jīng)進(jìn)行了十多年的量子計算機研究工作付諸于實(shí)踐，而且其宣稱(chēng)這可能是一臺能擊敗谷歌和IBM的量子計算機樣機。

它選擇的獨特研發(fā)路徑。與谷歌和IBM使用超導導線(xiàn)環(huán)作為量子比特不同，微軟的思路是基于一種被稱(chēng)為“任意子”（anyons）的粒子，這種粒子只能存在于二維空間。并選擇是拓撲量子比特技術(shù)。原理是電子通過(guò)半導體結構時(shí)會(huì )出現準粒子，它們的交叉路徑可以用來(lái)編寫(xiě)量子信息。

與此同時(shí)，微軟還啟動(dòng)了相應的量子計算軟件研發(fā)項目，目的在于開(kāi)發(fā)能夠求解復雜問(wèn)題的軟件。軟硬件之間的研發(fā)工作可以互相推動(dòng)，共同促進(jìn)。

上述幾家巨頭的背后，均有美國政府的影子。2016年，美國總統科學(xué)技術(shù)辦公室發(fā)布量子信息文件稱(chēng)：“預計幾十個(gè)量子比特、可供早期量子計算機科學(xué)研究的系統可望在5年內實(shí)現。”

美國之所以進(jìn)展迅速，就在于其在量子計算機硬件、軟件乃至應用方面都有明確的布局和集中攻堅的力量。

在談及量子技術(shù)時(shí)，國人常常會(huì )有莫名奇妙的優(yōu)越感，甚至妄自尊稱(chēng)“量子霸權”。誠然，量子通信近些年的技術(shù)和研發(fā)成果十分亮眼，但量子技術(shù)整體的水平，中國與美國仍有差距。英國政府《量子技術(shù)：時(shí)代機會(huì )》中，對全球各國的量子技術(shù)排名中也有所體現：

中國科學(xué)院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室主任郭光燦先生對于這個(gè)問(wèn)題，不無(wú)感慨地說(shuō)：

我們跟美國相比確實(shí)差距太大，這個(gè)差距，第一個(gè)研究水平有差距，這個(gè)可以看得出來(lái)，第二個(gè)是研究隊伍和力量有差距。這些其實(shí)也有明顯的差距，這就是我們的現狀。

美國政企在量子計算機領(lǐng)域的完善布局已經(jīng)上升到國家行為的層面，這或是中國應該借鑒的。

雖然如此，但好在國人一些產(chǎn)業(yè)和研究院校、機構有所覺(jué)醒，也在一直在量子領(lǐng)域奮勇直追，比如阿里已經(jīng)和中科院共同成立了一個(gè)量子計算機研究室，其中中國科學(xué)院在量子信息技術(shù)方面處于國際先進(jìn)水平。該實(shí)驗室計劃到2025年，量子模擬將達到當今世界最快的超級計算機的水平，2030年達到目前頂級超算的百億億倍。

另外，歐洲在量子技術(shù)領(lǐng)域也有重大布局。

在2016年歐洲量子會(huì )議上，歐盟發(fā)布《量子宣言》，宣布將支持一項十億歐元的量子技術(shù)旗艦計劃?！读孔有浴穼α孔佑嬎銠C的研制做出了詳細部署，他們計劃5年內發(fā)展處量子計算機新算法；5~10年“用大于100物理量子比特的、有特定用途量子計算機解決化學(xué)和材料科學(xué)難題”，并使研制出的通用量子計算機“超過(guò)傳統計算機的計算能力”。

另外，2016年底，獨立后的英國政府也發(fā)布量子技術(shù)報告《量子技術(shù)：時(shí)代機會(huì )》，提出重視量子應用五大領(lǐng)域，促進(jìn)量子領(lǐng)域競爭。未來(lái)會(huì )與國際接軌，建立創(chuàng )新中心，聯(lián)合學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，讓量子技術(shù)商業(yè)化。

其他地區

澳大利亞近年來(lái)專(zhuān)注于硅基、磷摻雜的量子計算方案，并于今年年初成立了硅基半導體量子計算國家實(shí)驗室。這些努力為取道半導體方案研制量子計算機奠定了基礎。

俄羅斯也在加緊研究的步伐。俄國家研究型工藝技術(shù)大學(xué)與俄羅斯量子中心正在啟動(dòng)大型量子技術(shù)中心。該中心將進(jìn)行量子通信和量子電子學(xué)研究，還計劃為量子技術(shù)領(lǐng)域的青年人才制定并實(shí)施教學(xué)項目。

通用的量子計算機何時(shí)到來(lái)？

“量子計算機何時(shí)能夠被研發(fā)出來(lái)？”

郭光燦向國外同行拋出這個(gè)問(wèn)題時(shí)，得到的答案是：“也許明天早上，也許要等上50年，也有可能我們這輩子永遠都看不到。”

迄今為止，物理學(xué)和計算機學(xué)界仍在爭議——能否制造出像支持者設想的那樣工作的量子計算機。

現在量子計算機所處的階段,也與當初傳統計算機剛出現時(shí)的情況有些類(lèi)似。本年度2月《科學(xué)進(jìn)展》期刊上,英國薩塞克斯大學(xué)、谷歌公司、日本理化學(xué)研究所、丹麥奧胡斯大學(xué)和德國錫根大學(xué)的科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布了一項大型量子計算機藍圖。設計者表示,這樣的機器占地可能超過(guò)一個(gè)足球場(chǎng),耗資至少1億英鎊(約合8.6億元人民幣)。

其實(shí)，這與世界上第一臺計算機誕生時(shí),真空管占滿(mǎn)半間教室的情形何其相似~

【編者按：本文轉自物聯(lián)網(wǎng)智庫，由iot101君編輯整理】

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