本文來(lái)自企鵝號(hào)“騰訊研究院”，騰訊研究院·騰訊量子實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合出品。
隨著人工智能大模型、量子計(jì)算、類腦智能、云原生、數(shù)字引擎、音視頻等技術(shù)的深入發(fā)展，新技術(shù)、新模式和新業(yè)態(tài)持續(xù)涌現(xiàn)。針對(duì)上達(dá)領(lǐng)域，我們策劃了一個(gè)科普系列欄目《T-chat前沿?zé)狳c(diǎn)問答》，以十問十答的形式，用通俗的語(yǔ)言，與大家交流最新、最熱的前沿科技話題。本文是T-Chat系列第二篇。也歡迎大家指導(dǎo)，并提出感興趣的問題一起研究，持續(xù)送代認(rèn)知，共同進(jìn)步。
除了巧思妙答的ChatGPT以外，近期另一個(gè)引人關(guān)注的熱點(diǎn)話題，就是量子計(jì)算機(jī)了。它一邊在科幻電影《流浪地球2》中，扮演擁有強(qiáng)大能力和智慧的未來(lái)計(jì)算機(jī)“MOSS”，一邊又以“The Quantum Leap”（量子飛躍）為題，登上著名期刊《時(shí)代》雜志的2月封面?？蓪?duì)于一般大眾來(lái)說，在網(wǎng)絡(luò)上看到的詮釋和解讀，似乎只能帶來(lái)高深莫測(cè)的模糊感；一連串似懂非懂的概念，也只能淪為談資里似懂非懂的只言片語(yǔ)。
那么，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)，我們究竟應(yīng)該如何理解呢？它和ChatGPT有什么關(guān)系？身處數(shù)字時(shí)代的嶄新階段，我們又應(yīng)該如何正確認(rèn)識(shí)它、利用它、并對(duì)它有一個(gè)更加現(xiàn)實(shí)的期待呢？量子計(jì)算十問十答為你一一道來(lái)。
文章目錄：
1.“量子“和“量子計(jì)算”，到底是什么？
2.量子計(jì)算機(jī)為什么對(duì)我們很重要？
3.量子計(jì)算機(jī)和我們常見的計(jì)算機(jī)，有哪些區(qū)別？
4.“量子體積”越大，量子計(jì)算機(jī)就越厲害嗎？
5.量子計(jì)算機(jī)，真的“無(wú)所不能”嗎？
6.怎么造出“全知全能”的“未來(lái)計(jì)算機(jī)”？
7.量子計(jì)算現(xiàn)在有實(shí)際應(yīng)用了嗎？
8.量子計(jì)算，更適合做模擬仿真嗎？
9.目前國(guó)內(nèi)外有哪些公司和機(jī)構(gòu)在做量子計(jì)算？
10.量子計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用前，還有哪些工作要做？怎么才能加快實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用？
“量子“和“量子計(jì)算”，
到底是什么？
量子計(jì)算，是基于量子力學(xué)原理，通過控制一定數(shù)量的量子單元，來(lái)進(jìn)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模式。而量子計(jì)算機(jī)，正是用來(lái)實(shí)現(xiàn)和使用量子計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
量子（英文：Quantum），是一個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)的重要概念，被認(rèn)為是組成浩瀚宇宙、世間萬(wàn)物最小的、不可再分割的物理量單位。比如太陽(yáng)光，是由光子組成，而光子所攜帶的能量目前還不能被進(jìn)一步分割，所以光子可以叫做量子。此外，電子、中微子和夸克也都可以叫做量子。而原子、離子、質(zhì)子、中子等微觀粒子，它們所攜帶的能量因條件不同而不同，所以不能簡(jiǎn)單判斷是否能叫做量子。
量子的物理特性，與自然界中的物體（如足球，飲料瓶）完全不同，甚至超出我們一般人的常識(shí)和想象：比如量子既可以像被踢出的足球一樣在空中延曲線飛行，也可以像水波一樣上下波動(dòng)地向前飛行；又比如將一只飲料瓶靜置在水平桌面上，瓶子只能保持“正立”、“倒立”和“橫躺”這三種狀態(tài)中的一種，而同樣靜置桌面的量子，卻可以同時(shí)保持“正立”、“倒立”和“橫躺”這三種狀態(tài)。
100多年前，普朗克、愛因斯坦等著名物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)了這些微觀粒子特有的物理特性，并最終將這些特性，總結(jié)為現(xiàn)代物理兩大理論基石之一的“量子力學(xué)”。我們可以把基于量子力學(xué)原理進(jìn)行信息化應(yīng)用的技術(shù)，統(tǒng)稱為量子信息技術(shù)，主要包含量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量。
量子計(jì)算機(jī)為什么
對(duì)我們很重要？
從科技角度看，掌握量子計(jì)算技術(shù)，就掌握了未來(lái)發(fā)展的先機(jī)。2023年，我們已經(jīng)身處數(shù)字世界，城市運(yùn)行、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活，都在不停產(chǎn)生、處理和交換著信息。而廣泛存在于智能設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和云平臺(tái)中的計(jì)算能力（簡(jiǎn)稱“算力”），是支撐這一切最根本、最關(guān)鍵的能力。
目前，算力是基于我們熟知的、以CPU為核心的計(jì)算技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；而未來(lái)，量子計(jì)算技術(shù)，則是更先進(jìn)、更有希望實(shí)現(xiàn)未來(lái)算力的下一代計(jì)算技術(shù)。量子計(jì)算技術(shù)猶如科技巔峰上的一顆璀璨明珠，備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。
從社會(huì)角度看，量子計(jì)算機(jī)是先進(jìn)數(shù)字生產(chǎn)力的代表。業(yè)界公布的一些量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)，如谷歌“懸鈴木”、IBM Q System以及我國(guó)中科院的“九章”，在科研實(shí)驗(yàn)中逐步展現(xiàn)了一些算力優(yōu)勢(shì)：在完成特定計(jì)算任務(wù)時(shí)，能展現(xiàn)比超級(jí)計(jì)算機(jī)高數(shù)千倍以上的計(jì)算效率。材料、醫(yī)藥、金融、物流、制造等眾多行業(yè)紛紛開始關(guān)注、探索與嘗試。而量子計(jì)算機(jī)在信息安全、高性能計(jì)算領(lǐng)域的影響力，也已基本成為業(yè)界共識(shí)，引起各國(guó)高度重視。目前已有十余個(gè)國(guó)家公布量子計(jì)算相關(guān)戰(zhàn)略，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)一時(shí)成為國(guó)際熱點(diǎn)。
對(duì)于咱們老百姓，量子計(jì)算機(jī)離我們還有些遠(yuǎn)，但值得期待。雖然量子計(jì)算機(jī)的成熟應(yīng)用，預(yù)計(jì)還要數(shù)十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，但是它在一些細(xì)分場(chǎng)景的逐步應(yīng)用，應(yīng)該會(huì)在不久的將來(lái)，給我們帶來(lái)一些驚喜。比如，輔助研制疑難雜癥特效藥、加快研發(fā)更輕便舒適的新型布料，等等。當(dāng)然，量子計(jì)算機(jī)作為商品走進(jìn)千家萬(wàn)戶，可能還是更遙遠(yuǎn)的事情，不過誰(shuí)也無(wú)法預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展與普及的速度。
量子計(jì)算機(jī)和我們常見的
計(jì)算機(jī)，有哪些區(qū)別？
量子計(jì)算機(jī)的最小計(jì)算元件，要比普通計(jì)算機(jī)（智能手機(jī)、筆記本電腦、工控機(jī)、服務(wù)器等）的先進(jìn)得多，強(qiáng)大得多。這是兩者最根本的區(qū)別，并由此衍生出其他7個(gè)方面的區(qū)別。
這個(gè)問題的答案稍有些難懂，不過我們盡量以通俗的方式來(lái)講解。如果你能耐心看完下面的敘述，并嘗試弄懂它，那你就初步掌握了理解甚至預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)字文明趨勢(shì)的密碼。
首先，想要理解兩者的區(qū)別，要先了解一些基礎(chǔ)知識(shí)：
數(shù)學(xué)，是人類最古老的一門科學(xué)，也是人類科學(xué)最基礎(chǔ)的學(xué)科之一，幫助人們從數(shù)字的角度認(rèn)識(shí)世界，并在世界中生存。
計(jì)算工具，是人們?yōu)榱四芨玫剡\(yùn)用數(shù)學(xué)而發(fā)明的工具。比如算盤，電子計(jì)算器，計(jì)算機(jī)。通常，人們先將要解決的問題進(jìn)行拆解和抽象，成為若干輸入條件和數(shù)學(xué)模型，再使用計(jì)算工具來(lái)進(jìn)行計(jì)算，最終從計(jì)算結(jié)果中獲得解決問題的參考。
最小計(jì)算元件，是計(jì)算工具可以操作（寫入，存儲(chǔ)，讀取）的、表示計(jì)算數(shù)值的最小物理元件。最小計(jì)算元件的先進(jìn)性，很大程度決定了一類計(jì)算工具的計(jì)算能力上限。那么不同的計(jì)算工具的最小計(jì)算單元是怎樣的呢？
算盤：算盤的最小計(jì)算元件，是算盤下排的一個(gè)算珠，表示的計(jì)算數(shù)值是1，向上撥表示+1，向下?lián)鼙硎?1；
圖：算盤上的算珠
普通計(jì)算機(jī)：對(duì)于我們現(xiàn)在常用的智能手機(jī)、筆記本電腦、工控機(jī)、服務(wù)器等普通計(jì)算機(jī)來(lái)說，最小計(jì)算單元是中央處理器（CPU）上的一個(gè)晶體管，可以表示的數(shù)值是0或1。當(dāng)晶體管通電時(shí)，表示1，當(dāng)晶體管斷電時(shí)，表示0。一個(gè)晶體管在經(jīng)典計(jì)算原理中，代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)位，叫做比特（英文：Bit）；
量子計(jì)算機(jī)：量子計(jì)算機(jī)的最小計(jì)算單元是量子計(jì)算機(jī)核心組件-量子處理器（QPU）上的一個(gè)量子，可以表示的數(shù)值可以是0，或者1，或者是0和1的一系列概率上的組合（比如：80%的0+20%的1，或者40%的0+60%的1，等等。這里比較難懂，不用理解，知道就好）。當(dāng)人們通過量子計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備，給量子發(fā)射特定的電脈沖，來(lái)使量子表示不同的數(shù)值。一個(gè)量子在量子計(jì)算原理中，代表一個(gè)最小計(jì)量單位，叫做量子比特（英文：Qubit）。
到這里我們可以發(fā)現(xiàn)，一個(gè)量子，可以表示的計(jì)算數(shù)值，比一個(gè)晶體管要多很多。這好比孫悟空和普通人相比，本領(lǐng)更大；進(jìn)一步，因?yàn)榱孔拥?ldquo;疊加態(tài)”特性，一個(gè)量子可以同時(shí)保持多種狀態(tài)，也就意味著它可以同時(shí)表示多個(gè)計(jì)算數(shù)值。這就好比孫悟空不僅本領(lǐng)大，還同時(shí)有多個(gè)分身，每個(gè)分身都和他一樣強(qiáng)大。
圖：量子的“疊加態(tài)”，好比孫悟空的多個(gè)分身
了解完根本區(qū)別后，就開始揭曉“量子計(jì)算機(jī)和我們常見的計(jì)算機(jī)，有哪些區(qū)別”的其余答案：
1、制造最小計(jì)算元件的技術(shù)不同（量子芯片工藝）：量子計(jì)算機(jī)的芯片，目前有超導(dǎo)、光量子、離子阱等多種技術(shù)路線制備，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)的芯片，主要采用光刻機(jī)；
2、單個(gè)芯片內(nèi)包含的最小計(jì)算元件數(shù)量不同：最新的英偉達(dá)GPU H100，包含約500億個(gè)晶體管，而IBM最新公布的量子芯片Osprey僅包含433個(gè)量子；
3、計(jì)算能力的不同：僅擁有約50個(gè)量子的量子計(jì)算機(jī)，在完成特定計(jì)算任務(wù)時(shí)，已經(jīng)可以比現(xiàn)在算力最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)快數(shù)千、甚至數(shù)萬(wàn)倍以上；
4、硬件系統(tǒng)不同：由于芯片工藝不同，且處于研發(fā)早期，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，目前的量子計(jì)算機(jī)均需要專門的配套設(shè)備和系統(tǒng)。比如：制冷機(jī)，數(shù)模控制系統(tǒng)等等。這也使得目前的量子計(jì)算機(jī)從外觀上顯得比較笨重，有些像60年前剛問世不久的電子計(jì)算機(jī)；
圖：60年多前的電子計(jì)算機(jī)
5、軟件系統(tǒng)不同：一方面，量子計(jì)算的算法和應(yīng)用程序，都需要適配量子計(jì)算原理，和經(jīng)典計(jì)算機(jī)有很大不同。不過很多研發(fā)團(tuán)隊(duì)已推出量子計(jì)算軟件開發(fā)工具（如IBM的Qiskit，谷歌的Cirq等），使開發(fā)更加便捷；另一方面，無(wú)論是算法還是應(yīng)用程序，因?yàn)橐D(zhuǎn)換成量子可以運(yùn)行的指令，量子計(jì)算機(jī)需要專門的編輯器，對(duì)軟件進(jìn)行編譯；
6、應(yīng)用領(lǐng)域不同：業(yè)界一般認(rèn)為，當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，會(huì)在以下的一些領(lǐng)域應(yīng)用更廣：材料和藥物研發(fā)，金融投資組合優(yōu)化，物流調(diào)度，機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，氣象預(yù)測(cè)等，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于所有領(lǐng)域，帶動(dòng)著整個(gè)社會(huì)的數(shù)字化。
7、技術(shù)成熟度不同：經(jīng)典計(jì)算機(jī)自1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世以來(lái)，歷經(jīng)60余年，技術(shù)、工藝和產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)趨于成熟，既可做得如智能手表一樣小巧，又能在一塊芯片上集成幾百億個(gè)晶體管；而量子計(jì)算機(jī)的工程研發(fā)是從2012年前后才真正開始，到現(xiàn)在僅有10年，目前公布的量子計(jì)算機(jī)，更像是原型機(jī)和技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，各項(xiàng)技術(shù)、工藝、以及產(chǎn)業(yè)鏈都還不穩(wěn)定，更談不到完善。
“量子體積”越大，
量子計(jì)算機(jī)就越厲害嗎？
首先直接回答問題：量子體積的確是評(píng)測(cè)量子計(jì)算機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)。
為什么會(huì)有“量子體積”這個(gè)概念呢？這是業(yè)界為了更準(zhǔn)確描述不同技術(shù)路線的量子計(jì)算機(jī)的性能，而引入的一個(gè)與硬件無(wú)關(guān)的指標(biāo)。量子體積表示了量子計(jì)算機(jī)可以成功實(shí)現(xiàn)的方形量子電路的最大尺寸。通俗來(lái)說，這個(gè)性能指標(biāo)與量子比特的數(shù)量、量子電路最大深度、保真度、連通性、串?dāng)_等物理指標(biāo)相關(guān)。通常來(lái)說，量子計(jì)算機(jī)的量子體積越大，可以解決的問題就越復(fù)雜。
年初上映的《流浪地球2》讓量子計(jì)算機(jī)又火了一把，影片中也出現(xiàn)了量子體積這個(gè)概念。但值得一提的是，雖然MOSS非?？苹?，但其標(biāo)稱的8192的量子體積，顯然是描述得過小了。2022年10月，量子計(jì)算公司Quantinuum就已在20比特的離子阱量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)了8192這一目標(biāo)，只不過量子計(jì)算原型機(jī)離實(shí)用化還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。
作為一個(gè)性能衡量指標(biāo)，現(xiàn)階段量子體積顯示出了一定的科學(xué)性和通用性。但隨著量子芯片工藝的飛速發(fā)展，未來(lái)可能會(huì)有更多相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)出現(xiàn)。如IonQ公司目前就引入了“算法量子位”的指標(biāo)替代量子體積。在量子計(jì)算機(jī)逐步實(shí)現(xiàn)的過程中，可以預(yù)見會(huì)有更多更適應(yīng)技術(shù)演進(jìn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)出現(xiàn)。
量子計(jì)算機(jī)，
真的“無(wú)所不能”嗎？
“無(wú)所不能”這個(gè)詞有些科幻，更適合形容像《流浪地球2》中的智能計(jì)算機(jī)，在未來(lái)的通用性和泛在性：能夠廣泛地應(yīng)用于我們工作和生活的各個(gè)領(lǐng)域，遠(yuǎn)到完成復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算，預(yù)警木星危機(jī)，中到模擬數(shù)字生命圖丫丫，近到和我們聊聊天，幫我們打開房間里的臺(tái)燈……
但量子計(jì)算機(jī)不是萬(wàn)能的。雖然從現(xiàn)實(shí)的角度看，未來(lái)的計(jì)算機(jī)越來(lái)越強(qiáng)大的趨勢(shì)是比較明確的，隨時(shí)、隨地、隨處可用的未來(lái)計(jì)算機(jī)服務(wù)也是可以預(yù)期的，但是計(jì)算機(jī)依然不是“無(wú)所不能”的。而這是由計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)——數(shù)學(xué)決定的。數(shù)學(xué)有一個(gè)分支叫做可計(jì)算性理論和計(jì)算復(fù)雜性理論，它告訴我們，世界上的很多問題，是無(wú)法通過計(jì)算來(lái)解決的，無(wú)論采用什么計(jì)算工具，量子計(jì)算機(jī)也不例外。
那既然量子計(jì)算機(jī)不是無(wú)所不能，那它能做什么，或者說擅長(zhǎng)什么樣的計(jì)算任務(wù)呢？
從數(shù)學(xué)的角度看，計(jì)算復(fù)雜性理論中，有一類問題叫做“BQP問題”，是理論上可以由量子計(jì)算機(jī)多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)可以解決的問題。典型的BQP類問題有：整數(shù)分解問題，離散對(duì)數(shù)問題，模擬量子系統(tǒng)中的一些問題等等。由此看來(lái)，在目前數(shù)學(xué)能夠認(rèn)知的問題領(lǐng)域中，量子計(jì)算機(jī)能夠解決的問題，只是其中一部分。
簡(jiǎn)單總結(jié)，量子計(jì)算機(jī)更適合計(jì)算那些如果用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算，即使用最好的算法，計(jì)算量也非常大的一部分問題。一個(gè)形象的例子，就是“大海撈針”問題：解這道題的算法很簡(jiǎn)單，就是找遍大海的每一個(gè)針可以掉落到的角落。但是這道題的工作量巨大，需要搜尋整個(gè)廣袤的大海，從海面、到海底。類似的問題，還包括在沒有索引的情況下，在一個(gè)電話簿里查一個(gè)號(hào)碼，在海量人臉中找到你的頭像，等等。即使如此，BQP一類問題也已經(jīng)可以映射到金融投資組合優(yōu)化、物流和交通優(yōu)化等許多應(yīng)用場(chǎng)景。如果量子計(jì)算機(jī)未來(lái)真正解決了這些問題，對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)也是巨大的。
值得一提的是，當(dāng)前熱議的ChatGPT等人工智能大模型技術(shù)的研發(fā)，也可能和量子計(jì)算相關(guān)。雖然還沒有確定性的答案，但量子計(jì)算有希望在模型壓縮、以及訓(xùn)練速度和模型性能等環(huán)節(jié)，對(duì)大模型的研發(fā)和提升起到積極作用，值得進(jìn)一步關(guān)注。
從物理的角度看，量子計(jì)算機(jī)利用的是微觀粒子的的特殊力學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的，所以那些同樣以量子力學(xué)為基礎(chǔ)理論的科研及實(shí)際應(yīng)用問題，理論上就更加適合由量子計(jì)算機(jī)來(lái)解決。我們可以直接想到的，如計(jì)算化學(xué)，分子模擬，新材料研發(fā)，醫(yī)學(xué)藥品研發(fā)等等。這些問題都是在研究和利用原子分子級(jí)別的物質(zhì)特性，研制具有特殊性能的、大自然中不存在的原子或者分子結(jié)構(gòu)。量子計(jì)算機(jī)很可能是未來(lái)更優(yōu)的選擇。
再簡(jiǎn)單說下量子計(jì)算機(jī)不擅長(zhǎng)的。由于量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理，目前的量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)過程中，存在一個(gè)重大的難題：噪聲問題。簡(jiǎn)單說，就是在操作量子進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，量子本身的穩(wěn)定性、量子之間相互的影響以及操控動(dòng)作本身，均會(huì)產(chǎn)生計(jì)算任務(wù)本身不需要的干擾。而這些干擾會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至?xí)斐捎?jì)算中斷和失敗。雖然科學(xué)家在不斷改進(jìn)量子的退相干和糾錯(cuò)技術(shù)，提高計(jì)算準(zhǔn)確的概率，但依然達(dá)不到百分之百。
當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)還不能直接計(jì)算出一個(gè)結(jié)果，只能在一定的概率下，通過觀測(cè)得到一個(gè)確定的結(jié)果。就好比讓現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)計(jì)算“1+1”，只有一定的概率可以得到2的結(jié)果，更不要說讓量子計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算更復(fù)雜的問題了。
雖然經(jīng)典計(jì)算機(jī)也會(huì)算錯(cuò)，但經(jīng)典芯片已具備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和修復(fù)的能力，因此最終可以得到準(zhǔn)確結(jié)果。所以這一類精確的數(shù)值計(jì)算問題和邏輯判定問題，當(dāng)前水平的量子計(jì)算機(jī)相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，是不擅長(zhǎng)的。但是，量子計(jì)算領(lǐng)域也在研發(fā)適合量子特性的糾錯(cuò)技術(shù)，量子糾錯(cuò)碼和量子容錯(cuò)理論可以通過精巧的數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)，用多個(gè)不完美的量子比特產(chǎn)生更為完美的量子比特，并通過特定容錯(cuò)量子操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)更多步驟，實(shí)現(xiàn)更精確計(jì)算。最終，隨著采用的糾錯(cuò)碼越來(lái)越強(qiáng)大，最終可以將整個(gè)計(jì)算過程的錯(cuò)誤率控制到接近于零。這樣，量子計(jì)算機(jī)就可以精準(zhǔn)進(jìn)行我們想要實(shí)現(xiàn)的計(jì)算了。
怎么造出“全知全能”的
“未來(lái)計(jì)算機(jī)”？
上個(gè)問題我們討論到，計(jì)算機(jī)并不是無(wú)所不能的，但以目前人類的科技實(shí)力，造出具備超越人類知識(shí)和智慧的能力、解決復(fù)雜科學(xué)難題、甚至支撐“元宇宙”這樣龐大虛擬世界體系的強(qiáng)大“未來(lái)計(jì)算機(jī)”，也不是完全不可能。正如人類數(shù)百年前發(fā)明第一臺(tái)蒸汽機(jī)，而后逐步迭代技術(shù)和組織形式，建立工業(yè)生產(chǎn)線和產(chǎn)業(yè)鏈一樣，未來(lái)計(jì)算機(jī)的制造，也要緊跟不斷演進(jìn)的計(jì)算科學(xué)技術(shù)，逐步實(shí)踐、迭代和研發(fā)，多方主體共同努力能有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)。
“擅長(zhǎng)的人做擅長(zhǎng)的事”，這是目前行業(yè)對(duì)于未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)比較明確的共識(shí)，換句話說，就是把不同的計(jì)算任務(wù)，分配給擅長(zhǎng)的計(jì)算單元和計(jì)算系統(tǒng)來(lái)完成。之前提到，經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)有各自擅長(zhǎng)的計(jì)算任務(wù)，所以如果設(shè)想未來(lái)計(jì)算機(jī)的制造思路，一個(gè)非常重要的舉措就是：造出量子計(jì)算機(jī)，并將量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相結(jié)合，進(jìn)行系統(tǒng)集成甚至連接成算力網(wǎng)絡(luò)。
制造量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)類似，也要先造出硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。
制造量子計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，由于目前尚處于早期研發(fā)階段，技術(shù)難度相對(duì)高很多。首先，需要制造量子計(jì)算機(jī)的核心計(jì)算單元——量子處理器（英文簡(jiǎn)稱QPU，也稱量子芯片）。QPU是制備和保存量子計(jì)算的最小計(jì)算單元“量子比特”的硬件系統(tǒng)，功能類似CPU。目前制備量子比特的技術(shù)路線至少有7種，被頭部量子計(jì)算機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)采用的，有超導(dǎo)量子、光學(xué)量子、和離子阱，還有中性冷原子、量子點(diǎn)、金剛石NV色心、拓?fù)淞孔拥?，也均在不斷研發(fā)中。
其次，有了QPU，還需要QPU運(yùn)行起來(lái)，產(chǎn)生量子以及操控量子進(jìn)行計(jì)算。所以還需要一系列的配套系統(tǒng)。常見的配套系統(tǒng)有：測(cè)控系統(tǒng)、低溫設(shè)備和組件，超高真空腔、激光器、光子探測(cè)器等等。QPU和配套系統(tǒng)，組成量子計(jì)算機(jī)的“主機(jī)”。
第三，量子計(jì)算機(jī)的輸入輸出，目前還需要經(jīng)典計(jì)算機(jī)的輔助，所以量子計(jì)算機(jī)的主機(jī)通常會(huì)連接若干經(jīng)典計(jì)算機(jī)，便于操作人員通過鍵盤鼠標(biāo)輸入計(jì)算任務(wù)，或者從其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中導(dǎo)入計(jì)算任務(wù)。
量子計(jì)算機(jī)同樣需要軟件。首先，需要一系列底層軟件，類似現(xiàn)在的“主板驅(qū)動(dòng)”和“操作系統(tǒng)”，來(lái)管理和操控量子計(jì)算機(jī)硬件，編譯和運(yùn)行量子計(jì)算軟件；其次，需要“編程語(yǔ)言和工具”，來(lái)編寫量子軟件和算法，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的原理和普通計(jì)算機(jī)不同，所以也需要特殊的語(yǔ)言和工具；第三，為了解決現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際問題，量子計(jì)算機(jī)需要安裝對(duì)應(yīng)的量子軟件，如量子化學(xué)分析軟件，量子模擬軟件等；第四，在量子軟件內(nèi)部，一般裝載著相關(guān)的量子算法，來(lái)完成計(jì)算工作；
QPU、配套系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、底層軟件、編程語(yǔ)言和工具、應(yīng)用、算法，這些硬件和軟件系統(tǒng)需要同時(shí)協(xié)同運(yùn)行，才能真正發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)的卓越算力，為社會(huì)實(shí)際創(chuàng)造價(jià)值。
將以QPU為計(jì)算核心的量子計(jì)算機(jī)，與以CPU+GPU為計(jì)算核心的經(jīng)典計(jì)算機(jī)相結(jié)合的科研探索，已經(jīng)在高性能計(jì)算領(lǐng)域首先開始。高性能計(jì)算，是追求極致算力的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，它引領(lǐng)了整個(gè)計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，很多計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)，如Hadoop等，都是由高性能計(jì)算領(lǐng)域首先研發(fā)出來(lái)的。國(guó)際上如IBM量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)已將量子計(jì)算機(jī)作為其下一代高性能計(jì)算的核心，而“歐洲高性能計(jì)算聯(lián)合項(xiàng)目（EUroHPC JU）”已展開將量子計(jì)算機(jī)與超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行集成的實(shí)驗(yàn)研究；芯片公司英偉達(dá)也在前不久推出了可以融合量子計(jì)算和高性能計(jì)算資源調(diào)用的混合計(jì)算平臺(tái)QUDA；亞馬遜、微軟等云計(jì)算服務(wù)商也已經(jīng)看準(zhǔn)了這個(gè)趨勢(shì)，將量子計(jì)算機(jī)的能力搬上云，先后開放了量子計(jì)算云平臺(tái)服務(wù)。CPU+GPU+QPU的高性能計(jì)算3.0時(shí)代已經(jīng)開啟。
相信隨著量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的不斷進(jìn)展，以及量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的相互結(jié)合與協(xié)同發(fā)展，強(qiáng)大的“未來(lái)計(jì)算機(jī)”一定會(huì)在不久的將來(lái)問世，在《流浪地球2》中類似的人類歷史時(shí)刻，承擔(dān)起舉足輕重的任務(wù)和責(zé)任。
量子計(jì)算現(xiàn)在有實(shí)際應(yīng)用了嗎？
近年來(lái)，沿著各條技術(shù)路線，量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)的研發(fā)都取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。盡管現(xiàn)階段的量子計(jì)算機(jī)離真正實(shí)用化還有非常長(zhǎng)的距離，但目前能達(dá)到的工程水平，已經(jīng)大大超出了20年前科學(xué)家們最樂觀的預(yù)測(cè)?；仡欉^去的2022年，量子計(jì)算原型機(jī)領(lǐng)域涌現(xiàn)了不少新的發(fā)展成果，可謂是百花齊放、百鳥爭(zhēng)鳴。
其中超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)路線最為耀眼，一如既往的領(lǐng)跑。目前國(guó)內(nèi)外的科技公司大都選擇了超導(dǎo)路線進(jìn)行長(zhǎng)期布局和投入，在2022年均有不俗的成績(jī)單。IBM如期發(fā)布其433量子比特的量子計(jì)算芯片，為目前全球超導(dǎo)方向的最高水平，預(yù)計(jì)2023年將達(dá)到1000量子比特。Google則更關(guān)注量子比特的質(zhì)量，在量子糾錯(cuò)方面取得了持續(xù)的進(jìn)展。
離子阱路線的特點(diǎn)是比特的相干時(shí)間特別長(zhǎng)，所以可以制備保真度很高的量子邏輯門（有點(diǎn)類似芯片上由晶體管組成的邏輯門），因而門保真度非常高。盡管離子阱量子計(jì)算機(jī)在比特?cái)?shù)提升方面面臨的困難較多（～20比特），但其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)可通過前面討論過的指標(biāo)量子體積（QV）體現(xiàn)出來(lái)。2023年2月，領(lǐng)軍企業(yè)Quantinuum宣布基于其H1系列量子芯片，量子體積可達(dá)到32768（2的15次方），創(chuàng)造新紀(jì)錄。
光量子計(jì)算路線的原型機(jī)，一直是展示量子計(jì)算優(yōu)越性的重要載體。2022年6月，Xanadu基于其可編程光量子原型機(jī)，完成高斯玻色采樣實(shí)驗(yàn)，再次展示了量子計(jì)算優(yōu)越性。中性原子路線則是2022年技術(shù)發(fā)展版圖中的黑馬。2022年9月，法國(guó)Pasqal宣布推出324個(gè)原子（量子比特）的量子處理器。但其在工程層面的可用性還有待驗(yàn)證。半導(dǎo)體量子計(jì)算路線也在2022年迎難而上，取得了不少進(jìn)展。Intel公司在2022年10月刷新了硅自旋量子比特?cái)?shù)量，達(dá)到12個(gè)，同時(shí)芯片生產(chǎn)的良率高達(dá)95%，是往商業(yè)化邁出的關(guān)鍵一步。
既然量子計(jì)算原型機(jī)已經(jīng)取得了如此多的進(jìn)展，那么量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在是否有一些實(shí)際的可落地的應(yīng)用了呢？事實(shí)上，目前離量子計(jì)算機(jī)真正產(chǎn)生商業(yè)化應(yīng)用，仍然有很長(zhǎng)一段距離。整體看，目前的量子計(jì)算原型機(jī)處于量子計(jì)算發(fā)展的初期階段，仍然處于在量子計(jì)算領(lǐng)域叫做NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）的時(shí)代。要達(dá)成運(yùn)行類似Shor算法這類標(biāo)志性的量子算法和應(yīng)用，仍需大量科研工作者努力攻堅(jiān)，實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，以及實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)量級(jí)的量子比特相干操縱。這個(gè)過程，普遍預(yù)測(cè)至少還需要10-15年時(shí)間的科研創(chuàng)新和工程技術(shù)積累。
那么NISQ時(shí)代的量子計(jì)算機(jī)就一無(wú)是處了么？并非如此。通過量子錯(cuò)誤緩解、經(jīng)典-量子混合等方案，科學(xué)家們也非常積極地在挖掘現(xiàn)階段量子計(jì)算原型機(jī)的應(yīng)用潛力，用于探索解決包括金融、化工、生物、醫(yī)藥、航空和人工智能等領(lǐng)域問題的可能性。
金融領(lǐng)域的典型應(yīng)用場(chǎng)景包括投資組合優(yōu)化、高頻（量化）交易以及詐欺偵測(cè)等?；ゎI(lǐng)域典型應(yīng)用場(chǎng)景包括化學(xué)工業(yè)與催化劑設(shè)計(jì)。航空領(lǐng)域，目標(biāo)是利用量子算法幫助城市空中交通開發(fā)更多飛行路線、改善鐵路交通線路的重新調(diào)度等。人工智能領(lǐng)域，目標(biāo)是利用量子算法加快機(jī)器人的學(xué)習(xí)時(shí)間、使用最新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。
量子計(jì)算，
更適合做模擬仿真嗎？
量子計(jì)算能夠比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快地模擬量子力學(xué)系統(tǒng)的演化，這確實(shí)是量子信息科學(xué)前驅(qū)費(fèi)曼當(dāng)初提出量子計(jì)算想法的最初動(dòng)機(jī)。而使用量子計(jì)算機(jī)模擬量子系統(tǒng)，目前也被認(rèn)為是量子計(jì)算最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一，并且可能是具有工業(yè)相關(guān)性的首批領(lǐng)域之一。
我們從材料科學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)和蛋白質(zhì)折疊三個(gè)例子來(lái)了解下。
量子計(jì)算能夠有效地模擬量子演化，在材料科學(xué)中具有重要的應(yīng)用。例如材料化學(xué)模擬中，一旦自旋數(shù)大于大約100，某些磁性模型就完全無(wú)法在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬。但是，據(jù)估計(jì)，使用具有50萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以在大約一個(gè)小時(shí)內(nèi)模擬此類系統(tǒng)。對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，所需的量子比特資源可能更多。但較傳統(tǒng)計(jì)算方法，量子計(jì)算機(jī)的引入大大擴(kuò)展了可探索的科學(xué)問題邊界，未來(lái)有望應(yīng)用于新穎特性材料的開發(fā)工作中。
藥物發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用也是一個(gè)活躍的領(lǐng)域。原則上，量子計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確模擬使用傳統(tǒng)計(jì)算方法根本無(wú)法模擬的小藥物分子的特性。在這一點(diǎn)上，可以說量子計(jì)算機(jī)是占了優(yōu)勢(shì)。然而，該優(yōu)勢(shì)是否大到足以在實(shí)踐中對(duì)藥物開發(fā)公司有用，目前仍在積極研究之中。
例如，如果一個(gè)分子根本無(wú)法使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)建模，但可以使用數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位在幾個(gè)月內(nèi)建模，這是否具有實(shí)際優(yōu)勢(shì)？如果這種藥物可以治愈嚴(yán)重的疾病，那么在某種意義上確實(shí)是一種優(yōu)勢(shì)。量子硬件和算法也有可能改進(jìn)到計(jì)算過程所消耗的時(shí)間和量子比特要求明顯減少的程度。
量子計(jì)算也被研究用于對(duì)蛋白質(zhì)等較大分子折疊的方式進(jìn)行建模，這是一個(gè)眾所周知的難以在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上解決的問題，即使使用AlphFold等機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的突破性技術(shù)也是如此。同樣，眾所周知，這是量子計(jì)算機(jī)在理論上具有優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域，盡管實(shí)際優(yōu)勢(shì)的問題類似于小分子的情況。
目前國(guó)內(nèi)外有哪些
公司和機(jī)構(gòu)在做量子計(jì)算？
據(jù)麥肯錫《量子科技觀察》的統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外從事量子計(jì)算的企業(yè)和機(jī)構(gòu)總數(shù)已經(jīng)超過450家，分別在量子芯片、量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、量子算法、量子軟件開發(fā)工具、量子應(yīng)用軟件、量子云平臺(tái)等方面投入研究和研發(fā)。從事量子計(jì)算的企業(yè)和機(jī)構(gòu)，可以大致分為4類：頭部信息與科技企業(yè)，國(guó)家級(jí)科研機(jī)構(gòu)，初創(chuàng)公司和科研院校。
頭部信息與科技企業(yè)，如IBM、谷歌、微軟、英特爾、霍尼韋爾、英偉達(dá)、亞馬遜、日立、NEC、阿里巴巴、華為、百度、騰訊等；
國(guó)家級(jí)科研機(jī)構(gòu)，如美國(guó)的費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，國(guó)內(nèi)的中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院，等；
初創(chuàng)企業(yè)，大都是在2015年以后成立，比較有代表性的有D-Wave、Rigetti、Xanadu、IonQ、Quantinuun、本源量子、國(guó)盾量子等；
科研院校，如MIT麻省理工大學(xué)、哈佛大學(xué)、馬克思普朗克學(xué)會(huì)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、東京大學(xué)、劍橋大學(xué)等等。
量子計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用前，還有
哪些工作要做？怎么才能
加快實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用？
量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際應(yīng)用之前，還有很長(zhǎng)的路要走。
從系統(tǒng)角度看，硬件方面，要提高量子比特?cái)?shù)量和質(zhì)量，提升量子糾錯(cuò)技術(shù)和操控觀測(cè)技術(shù)水平，還要完成量子計(jì)算機(jī)制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化，運(yùn)行成本優(yōu)化，運(yùn)行能效優(yōu)化；軟件方面，需要研發(fā)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的量子算法，以及量子應(yīng)用軟件開發(fā)；而理論方面，還要完成計(jì)算優(yōu)越性的嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)證明、經(jīng)濟(jì)價(jià)值的大量實(shí)驗(yàn)和科學(xué)論證，等等。
從代際角度看，量子計(jì)算機(jī)還要經(jīng)歷“含噪聲中等量子規(guī)模量子計(jì)算機(jī)”的NISQ時(shí)代，最終達(dá)到具備足夠量子數(shù)量和質(zhì)量的“容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)”FTQC時(shí)代。
圖源：信息通信技術(shù)與政策2020年第七期，量子計(jì)算技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用分析
從量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的整體來(lái)看，想加快實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，除了更加堅(jiān)定地研發(fā)、實(shí)踐和反思、砥礪前行以外，似乎并沒有什么捷徑。古訓(xùn)道：“不積小河，無(wú)以成江海。不積跬步，無(wú)以至千里。”科技的研發(fā)和應(yīng)用，急不得。
尤其對(duì)于量子計(jì)算等前沿探索性科技來(lái)說，更加需要科技界和工業(yè)界長(zhǎng)期持續(xù)的合作研究和實(shí)驗(yàn)，甚至是反復(fù)的試錯(cuò)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟和普及，也歷經(jīng)了40年；量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，才開始了20年，并不算長(zhǎng)。
以IBM為例，IBM開展量子計(jì)算研發(fā)已有12年，是最早投入研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的前驅(qū)企業(yè)之一。2011年，IBM便開始進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)理論和實(shí)驗(yàn)研究；2016年，IBM首次將量子處理器放在云上提供實(shí)驗(yàn)服務(wù)；2020年，IBM在投入量子計(jì)算研發(fā)10年后，公布了自己從2019-2023年的研發(fā)路線圖，更加篤定地前進(jìn)著；2022年，IBM更新了自己的路線圖至2025年，并調(diào)整了2022年以后的技術(shù)路線。
可以看出，IBM很可能是在大量的實(shí)驗(yàn)、試錯(cuò)甚至是商業(yè)化考慮后，才實(shí)現(xiàn)了技術(shù)更新；令人欣慰的是，自2020年以后，IBM一直堅(jiān)定履行著自己公布的路線圖和里程碑計(jì)劃，不斷為量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展做出關(guān)鍵的貢獻(xiàn)。2022年12月，IBM更是如期交付了可以制備433個(gè)量子比特的Osprey超導(dǎo)量子芯片，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)向前邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
又如谷歌，也是在2015年前便開始投入量子計(jì)算機(jī)的研究。到現(xiàn)在的近8年時(shí)間里，行業(yè)乃至整個(gè)社會(huì)，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的認(rèn)識(shí)在不斷增強(qiáng)，甚至不時(shí)出現(xiàn)過度炒作的現(xiàn)象，很多人甚至認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)會(huì)在幾年內(nèi)就可以商用了。而直到今年，也就是2023年2月，谷歌才在《自然》雜志上發(fā)布了自己在量子糾錯(cuò)領(lǐng)域的進(jìn)展，初步通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)證明，量子糾錯(cuò)確實(shí)可以改進(jìn)量子計(jì)算的準(zhǔn)確性，而這才僅僅是谷歌實(shí)現(xiàn)可用量子計(jì)算機(jī)的第二個(gè)步驟。距谷歌所規(guī)劃的、2029年實(shí)現(xiàn)真正商用的量子計(jì)算機(jī)，還有相當(dāng)一段距離。
從當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)所處的NISQ時(shí)代來(lái)看，在現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)硬件的條件下，找到更多兼具計(jì)算優(yōu)越性和實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值的算法、以及面向?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景的量子應(yīng)用軟件，被認(rèn)為是當(dāng)前加速量子計(jì)算實(shí)際應(yīng)用的重要思路。
以量子算法為例，為了做到這一點(diǎn)，一方面需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界一起配合，在材料，制藥、金融、物理等真實(shí)場(chǎng)景中，不斷實(shí)踐如何合理地探索和部署量子算法，最終達(dá)到在某些場(chǎng)景中超越經(jīng)典計(jì)算的能力水平。另一方面，在這個(gè)階段，更多部署對(duì)公眾開放的量子計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)，可以加速產(chǎn)業(yè)界開發(fā)、部署和測(cè)試量子算法，快速篩選出潛在有價(jià)值的應(yīng)用。而這個(gè)過程也將反哺促進(jìn)量子硬件和軟件應(yīng)用的發(fā)展。
量子計(jì)算，是劃時(shí)代的硬核科技，有望成為構(gòu)筑未來(lái)算力、重塑未來(lái)世界的重要前沿科學(xué)技術(shù)。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的持續(xù)投入，我們將跨越NISQ時(shí)代，進(jìn)入FTQC時(shí)代，并進(jìn)一步迎來(lái)兼具計(jì)算優(yōu)越性和實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值的量子算法與應(yīng)用的大量涌現(xiàn)。我們對(duì)未來(lái)充滿期待。
而對(duì)于當(dāng)下，我們?nèi)孕枥硇缘臉酚^，客觀理解量子計(jì)算機(jī)，并充分理解它從技術(shù)研發(fā)到實(shí)際應(yīng)用的歷程。更重要的，量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展，需要國(guó)內(nèi)外量子計(jì)算領(lǐng)域的企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)等各方更加積極合作，腳踏實(shí)地地把研發(fā)工作做好，一步步解決其中的各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)。
