量子计算机商用化还有多远？

　　本源量子计算机模型图

　　“目前，几乎所有的量子计算公司都还不能在主营的量子计算业务上赢利，量子计算机距离商用化还有一段路要走。”3月28日，在由中国计算机学会青年计算机科技论坛(CCF YOCSEF)主办的技术论坛上，由中国科学院量子信息重点实验室孵化的合肥本源量子计算科技有限责任公司副总裁张辉如是说。

　　2019年,量子计算经历了高光的一年：IBM公布全球首款20个比特的商用量子计算原型机，并向全球出售;谷歌的量子计算机仅用53位专用的量子芯片就解决了一个数学问题，宣告在全球首次实现“量子霸权”;微软、阿里巴巴等IT企业成立的量子计算实验室也成果迭出……

　　3月4日，探索量子计算十余年的霍尼韦尔公司表示，未来10年计划每年将量子计算机的性能提高10倍。这意味着到2025年，其量子计算机的速度将提高10万倍。这一数字远高于谷歌此前设立的100万个量子比特的“小”目标。

　　我们距离量子计算机的商业化应用还有多远呢?

　　未知的“山洞”

　　近几年，几乎每隔一段时间全球就有一个量子计算领域的“重大进展”。作为中国科学院院士郭光灿的学生，张辉回忆，郭光灿曾在教学过程中把量子计算比作一个山洞，人们并不知道这个山洞里究竟是宝藏还是猛兽，但中国的科研人员一定要有勇气冲进去，看看它到底长什么样，能不能做出来。

　　正是这种对未知的向往引发了量子计算机研制的热潮。在人工智能、智慧交通、金融、生物医药、航空航天等领域，量子计算机都展现出巨大的应用空间。

　　“尽管很多应用还处于研究阶段，但量子计算机的两大优势已经显现。”张辉介绍，一是量子计算机对海量数据并行运算能力的指数级提升，可以显著提升数据搜索、处理、分析的能力;二是量子计算机可以编译在电子、原子等微观粒子上，它可以自然地模拟自然界原子、分子演进的过程，可以用来研究新材料、发现新药物。

　　张辉认为，量子计算机的主要应用方向是替代现在的超级计算机。“目前个人必须使用量子计算机来解决的需求很少，我们经常开玩笑说，谁也不会用量子计算机去打游戏。因为经典计算机的体验感已经足够好，量子计算机用不着来做这样的工作。”张辉说。

　　在他看来，能在短期内实现应用的是利用量子计算机解决城市交通拥堵问题，让量子计算机优化复杂的交通状况。

　　“十几年前，包括郭光灿院士在内的很多专家认为，研发量子计算机至少需要50年时间，如今再问及该问题，郭光灿院士说量子计算机的发展比他想象得快太多。原来处于理论和想象状态的内容，今天很多都已经实现。”张辉说。

　　底层物理载体之困

　　很多人担心量子计算机的出现，会威胁当前的密码体系，我们的密码可能因为量子计算机的超强计算能力而不安全了。其实就目前几十个比特量子芯片的水准，破解密码非常困难。

　　“如果按目前已知的量子算法来看，真正产生实际应用价值可能需要100万个比特的规模。”腾讯量子实验室高级研究员郑亚锐说。

　　整体看，量子计算机的理论体系已基本完备，但最底层的物理载体还没有达成一致标准。张辉打了个比方，量子计算机还处在非常早期的阶段，和经典计算机类比，今天的量子计算机处在当年经典计算机的电子管时代。

　　量子计算机和经典电子计算机非常相似，量子计算机也有芯片、CPU，类似经典计算机的主板系统、软件，以及可以开发出各种各样量子应用的语言、算法。

　　曾有第三方机构对量子计算机商用作出预测，第一阶段是量子计算原型机的开发以及实现“量子霸权”;第二阶段是设计专用级量子计算机芯片，解决特定行业的特定问题，帮助实现特定领域的商业应用;第三阶段是研制真正的通用量子计算机。

　　“谷歌的量子计算机已经展示出人类控制复杂量子计算的水平，就是说人类已经能够制造出较好的量子芯片，而且可以非常灵活地控制它，看到它的价值。”郑亚锐说。

　　但不可否认的是，还没有找到一个非常完美的物理体系开发量子计算机，因为目前在研的量子芯片物理体系大部分都没有达到科学家们公认的量子计算的5项指标，包括量子比特的初始化能力、扩展能力、可控能力、稳定能力和被测量能力。业内专家普遍认为当前首要任务是寻找合适的材料来实现量子计算。

　　张辉表示，包括超导、半导体固态器件、离子阱等多种技术路线都展现出各自的优劣，但现在还没有定论说哪个最好。也就是说，没有任何一条技术路线能解决所有现实问题。

　　而且，量子计算机研制的门槛非常高，一般的创业公司或团队很难进入。该领域的人才也非常缺乏。

　　重重困难待突破

　　到底怎样才算实现了量子计算机的实用化?其标准是什么?国防科技创新研究院研究员强晓刚认为，最起码应该针对某一类问题，或某一类应用展示出超越经典计算机，甚至超级计算机的性能。

　　2018年，谷歌宣称要在10年内实现100万个量子比特，实现量子计算机的商业应用。郑亚锐认为这一说法稍显激进。

　　“目前，针对各家发布的芯片众说纷纭，大众更关注比特数目。实际上，影响量子芯片性能的不只是比特数目这一指标，还包括保真度、退相干时间等。不过，谷歌的投资非常大，所以不排除在10年内实现量子计算机商业应用的可能。”郑亚锐说。

　　强晓刚也认为，多长时间实现量子计算机的商业应用取决于我们投入多大的努力，特别是需要计算机专家、工程专家的加入，共同推动这一研究。同时，上述指标对如何读取量子比特、如何控制量子系统，如何纠错保证量子系统的高精度具有重要意义。业界也需要制定统一的标准，对各种开发量子计算机的方式进行性能评估。

　　“据我所知，目前有几家公司和团队已经在使用这样一个复合标准去衡量他们的研究成果，但该评价体系尚未得到业界的广泛认同。10年或许是量子计算机实现商用级应用的最短时间。”张辉说。

　　郑亚锐表示，实现量子计算机商用化过程中困难重重。以量子比特为例，其数量提升路径尚不明确，目前仅仅实现了几十个，要达到百万个还有很长的路要走。从根源上来说，业界需要从材料和工艺两方面进行改进。

　　“量子计算机不一定要去挑战经典电子计算机，研究人员完全可以考虑协同两种计算机的优势，或许能够突破以前单纯靠电子计算机做起来比较困难的事情。”郑亚锐说。