實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)還需20年。

作者 | 劉景豐

過(guò)去一直深藏研究院、實(shí)驗(yàn)室里的量子計(jì)算,正成為科技公司爭(zhēng)奪的下一個(gè)制高點(diǎn)。

從2023年開(kāi)始,量子科技這個(gè)前沿的領(lǐng)域突然獲得資本的青睞。數(shù)據(jù)顯示,2023年全球量子科技公司融資金額大概在10億美元左右,而到了2023年這一數(shù)額就超過(guò)30億美元。今年,這種熱度仍在持續(xù)。就在上個(gè)月,本源量子完成近10億元B輪融資,甚至登上了目前量子計(jì)算領(lǐng)域融資榜榜首。

除創(chuàng)業(yè)公司,科技大公司也紛紛在這一領(lǐng)域發(fā)力。8月25日,百度舉辦“量見(jiàn)未來(lái)”量子開(kāi)發(fā)者大會(huì),并發(fā)布了超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“乾始”和全球首個(gè)全平臺(tái)量子軟硬一體解決方案“量羲”,為客戶提供量子計(jì)算服務(wù)。此外針對(duì)C端用戶,百度還推出了一款A(yù)pp“量易伏”,為程序員提供各種查詢的編程方式。

除了百度之外,阿里、騰訊等科技公司也在布局該領(lǐng)域,此前阿里還曾發(fā)布一款量子芯片。

科技公司紛紛押注,量子計(jì)算似乎正卸下神秘的面紗,但它距離大眾究竟還有多遠(yuǎn)?

1.百度首“吃螃蟹”,發(fā)布超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)

整場(chǎng)發(fā)布會(huì)上,最能激發(fā)人們好奇心的就是百度發(fā)布的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“乾始”。

它集合了量子硬件、量子軟件、量子應(yīng)用于一體,其中硬件平臺(tái)搭載10量子比特高保真度超導(dǎo)量子芯片,可為用戶提供穩(wěn)定的量子計(jì)算服務(wù)。其中,最核心的量子處理器(芯片)被放在一個(gè)名為“極低溫測(cè)試平臺(tái)”的低溫裝置,其最低溫度接近絕對(duì)零度(-273℃)。“這就好比,你越冷靜就會(huì)越清醒,算得越快。”百度量子計(jì)算研究所所長(zhǎng)段潤(rùn)堯在講解中打趣道。

硬件是核心的一環(huán),但僅有硬件是不夠的。百度CTO王海峰稱,將量子硬件轉(zhuǎn)化為量子服務(wù)是充滿挑戰(zhàn)的工作,意味著打通從底層量子硬件,到操作系統(tǒng),再到上層應(yīng)用軟件的全流程。

實(shí)際上,百度在量子計(jì)算領(lǐng)域最拿手的是軟件和應(yīng)用部分。百度量子成立于2023年3月,先后發(fā)布了國(guó)內(nèi)首個(gè)云上量子脈沖系統(tǒng)“量脈”,全球首個(gè)云量一體的量子機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)“量槳”,全球首個(gè)云原生量子計(jì)算平臺(tái)“量易伏”。

段潤(rùn)堯介紹,整個(gè)量子計(jì)算平臺(tái)中,最底層是硬件,即上述提到的硬件平臺(tái);中間層是軟件,即操作系統(tǒng)部分,如“量易伏”;最上層是應(yīng)用,比如“量槳”。

此外,“乾始”量子軟件平臺(tái)支持通過(guò)云服務(wù)獲得量子算力,提供產(chǎn)業(yè)級(jí)量子計(jì)算服務(wù)。

為了簡(jiǎn)化量子硬件部署到量子服務(wù)的全流程,百度還推出全球首個(gè)全平臺(tái)量子軟硬一體解決方案“量羲”。據(jù)稱,“量羲”可提供私有化部署、云服務(wù)、硬件接入等一系列服務(wù),具備適配超導(dǎo)、離子阱等多類型主流量子芯片,可實(shí)現(xiàn)量子芯片“即插即用”。

據(jù)介紹,目前“量羲”已經(jīng)完成中科院物理所超導(dǎo)量子芯片和中科院精密測(cè)量院離子阱量子芯片連接驗(yàn)證。

2.量子科技的核心是量子計(jì)算

盡管“乾始”和“量易伏”讓普通人得已真正接觸到量子計(jì)算,但當(dāng)下離真正的量子計(jì)算應(yīng)用還有不小的距離。

中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤稱,當(dāng)前正處在第二次量子技術(shù)革命的前夜,是從量子力學(xué)規(guī)律的被動(dòng)發(fā)現(xiàn)、發(fā)展,轉(zhuǎn)向主動(dòng)設(shè)計(jì)與操控量子體系來(lái)發(fā)展技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期。

他認(rèn)為,第二次量子技術(shù)主要包括量子計(jì)算、量子通訊和量子精密測(cè)量等三大領(lǐng)域。

其中的核心,是量子計(jì)算。沒(méi)有量子計(jì)算,僅僅是量子通訊和量子精密測(cè)量,不足以動(dòng)搖現(xiàn)有信息社會(huì)的信息技術(shù)根基。所謂量子計(jì)算,就是按照既定的算法和程序?qū)α孔討B(tài)進(jìn)行操控的過(guò)程。量子態(tài)的演化過(guò)程,對(duì)應(yīng)的就是一個(gè)量子計(jì)算過(guò)程。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、北京量子信息科學(xué)研究院院長(zhǎng)向濤用經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力與量子計(jì)算算力做了對(duì)比:經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力與單位面積半導(dǎo)體芯片可容納的晶體管數(shù)或比特?cái)?shù)成正比,增長(zhǎng)一倍的算力,就必須增加一倍的集成度,在過(guò)去幾十年,經(jīng)典計(jì)算機(jī)的集成度和計(jì)算能力大約每18個(gè)月增加一倍,這就是著名的“摩爾定律”;而量子計(jì)算機(jī)的算力隨比特?cái)?shù)目不是線性增加的,是指數(shù)增加的,也即每增加一個(gè)量子比特,量子計(jì)算機(jī)的算力就會(huì)增加一倍,這就是量子計(jì)算對(duì)信息處理的指數(shù)加速作用,也是經(jīng)典計(jì)算機(jī)可望而不可及的。

“從原理上講,如果實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算的指數(shù)加速作用,一臺(tái)100個(gè)容錯(cuò)量子比特量子計(jì)算機(jī)的算力,就可超越目前世界上所有計(jì)算機(jī)的算力之和。”向濤說(shuō)。

以信息安全為例,經(jīng)典計(jì)算機(jī)破譯RSA公鑰密碼系統(tǒng)需要10萬(wàn)年以上,而量子計(jì)算機(jī)僅需1秒就能破譯。

清華大學(xué)交叉信息研究院教授段路明稱,目前實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算硬件最主要的兩個(gè)模式是:超導(dǎo)量子計(jì)算和離子阱量子計(jì)算。

3.量子計(jì)算的“內(nèi)憂”和“外患”

即使是國(guó)內(nèi)最頂尖的學(xué)者、科學(xué)家,也認(rèn)為當(dāng)下的量子計(jì)算發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)。

其中之一就是量子芯片。百度量子計(jì)算研究所所長(zhǎng)段潤(rùn)堯稱,目前的量子芯片設(shè)計(jì)還處在半手工、半自動(dòng)化的狀態(tài),“在不遠(yuǎn)的將來(lái),當(dāng)量子比特?cái)?shù)量多達(dá)幾十、幾百個(gè),乃至幾千、幾萬(wàn)個(gè),就沒(méi)有辦法用半自動(dòng)化的方式做了。”

百度量子計(jì)算研究所所長(zhǎng)段潤(rùn)堯

段潤(rùn)堯稱,理想的方式是,百度能夠和硬件團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作,將來(lái)變成定制芯片,百度量子主要做芯片的設(shè)計(jì),芯片性能的仿真、以及版圖自動(dòng)生成這樣一整套QEDA工具。

除此之外,國(guó)內(nèi)的量子科學(xué)還面臨著其他的內(nèi)部和外部挑戰(zhàn)。中國(guó)科學(xué)院院士、深圳國(guó)際量子研究院院長(zhǎng)、南方科技大學(xué)講席教授俞大鵬將其總結(jié)為量子科技領(lǐng)域的“內(nèi)憂”和“外患”。

“內(nèi)憂”是指,由于一些傳統(tǒng)的影響,我們國(guó)家在高科技領(lǐng)域,常出現(xiàn)“跟班式”重復(fù)建設(shè)、惡性競(jìng)爭(zhēng)等行維,“目前可以看到,是個(gè)人就搞量子這種事情比較多,但真正有自己核心技術(shù)和自己競(jìng)爭(zhēng)力的并不多見(jiàn)。”俞大鵬說(shuō)。

同時(shí),過(guò)去國(guó)內(nèi)科研領(lǐng)域偏重論文而輕于核心關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā),這導(dǎo)致很多高科技的設(shè)備都受國(guó)外制約。

對(duì)于“外患”,俞大鵬認(rèn)為,一方面隨著國(guó)際形勢(shì)的變化,美國(guó)對(duì)中國(guó)進(jìn)行DUV等設(shè)備的禁運(yùn),造成國(guó)內(nèi)在包括量子領(lǐng)域在內(nèi)的高科技受到了封鎖。

這就需要國(guó)內(nèi)科研人員去做多方面的突破。

4.實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)還需20年

向濤認(rèn)為,量子計(jì)算未來(lái)有三方面的發(fā)展趨勢(shì):

一是規(guī)模化。當(dāng)前量子計(jì)算可操控的量子比特?cái)?shù)大約為100個(gè),今后將逐漸達(dá)到幾千個(gè)、幾萬(wàn)個(gè)、幾百萬(wàn)個(gè);

二是容錯(cuò)化。量子計(jì)算需要很多量子比特,但更需要制備出相干時(shí)間可以任意長(zhǎng)的所謂容錯(cuò)的邏輯量子比特;

三是集成化。集成和小型化是降低量子計(jì)算機(jī)研發(fā)成本、實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的前提。對(duì)未來(lái)做一個(gè)展望,樂(lè)觀估計(jì),到2030年左右,高質(zhì)量制備和操控的量子比特?cái)?shù)將達(dá)到上萬(wàn)個(gè),在這個(gè)基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)大量量子比特的不斷糾錯(cuò),有望制備出一個(gè)能容錯(cuò)的邏輯量子比特;再過(guò)10年,也就是2040年左右,能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)邏輯量子比特和普適邏輯門的相關(guān)操控,并且在這個(gè)基礎(chǔ)上制備出普適的量子計(jì)算機(jī)。

跟其觀點(diǎn)類似的還有中國(guó)科學(xué)院院士、科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、世界著名的量子信息專家潘建偉。他在該大會(huì)的致辭中也表示,當(dāng)前學(xué)術(shù)界把量子計(jì)算的發(fā)展分為三個(gè)發(fā)展階段:

第一階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性,即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越超級(jí)計(jì)算機(jī),這一目標(biāo)已經(jīng)有美國(guó)、中國(guó)和加拿大先后達(dá)到;

第二階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)專用的量子模擬機(jī),可以應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問(wèn)題,來(lái)指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)、藥物開(kāi)發(fā)等,達(dá)到這一階段,估計(jì)還需要5到10年,是當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要的研究任務(wù);

第三階段是在實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建可編程通用量子計(jì)算機(jī)。由于技術(shù)上的難度,何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚未明確,學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要15年至20年,甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

可以看出,量子計(jì)算距離實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。

但是,一個(gè)值得反思的問(wèn)題是,國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些炒作概念、蜂擁而上的狀況。“尤其是對(duì)量子計(jì)算的應(yīng)用進(jìn)行了某些超于實(shí)際,不切實(shí)際的宣傳,對(duì)公眾和投資者造成了一定的誤導(dǎo)。這從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講,會(huì)對(duì)量子計(jì)算整個(gè)領(lǐng)域的健康發(fā)展帶來(lái)不利影響。”潘建偉說(shuō)。

當(dāng)前量子科技的發(fā)展正逐步面向產(chǎn)業(yè)化,這就需要一個(gè)良好的量子發(fā)展生態(tài)來(lái)維持、保障和促進(jìn)量子計(jì)算產(chǎn)學(xué)研深度融合和協(xié)同創(chuàng)新,從而提高基礎(chǔ)研究向?qū)嵱没凸こ袒D(zhuǎn)化的速度和效率。

在薛其坤看來(lái),量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是發(fā)展生態(tài)的競(jìng)爭(zhēng),而量子生態(tài)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展,最關(guān)鍵的還是量子科技工作者和量子開(kāi)發(fā)者。