英偉達的CUDA-X生態，其中就包括了CUDA-Q

01

黃仁勛“認錯”了嗎？

3月20日，在英偉達GTC的“量子日”活動中，黃仁勛調侃自己在今年1月說的“量子技術距離實際應用至少還需20年”，變相認了錯。

但我看黃仁勛之前對量子計算機距離實際應用還早得很的評價并沒什么錯。

黃仁勛與討論會嘉賓

現在的量子計算公司上市的雖然不少，但他們的產品確實遠遠無法產生實際價值。而且就算未來量子計算機發展到具有商業價值時，經典的電子計算機也不會被它淘汰，最大的可能是兩者協同合作，在各自優勢的領域發揮作用。比如讓“生成式AI”進化成“生成式量子AI”，真正獲得創造力。

02

量子到底是什么？

想要真的深入理解量子和量子計算，即使是個理科生也需要看完厚厚一本書（例如《量子信息簡話》），我們只能簡單說說。

量子（Quantum）是現代物理學的一個重要概念。簡單來說，當一個物理量比如光，在不斷分割后會成為無法再細分的一份份的光子，這說明光是不連續的，科學家把這種不連續的物理量稱為“可量子化的”物理量，把最小的一份稱為“量子”。

普朗克、愛因斯坦、玻爾、薛定諤、狄拉克等科學家發現，在微觀世界中光、能量、原子、角動量、自旋和電荷都是可量子化的，后來人們把這些科學家從微觀世界中發現的規律都納入了“量子力學”理論中。

在微觀世界中，量子的物理特征常常超出我們普通人的認知。比如量子既可以像足球那樣在空中沿曲線飛行，也能像水波一樣上下波動前進（量子具有波粒二象性）。比如在微觀的量子世界，你可以有概率出現在一堵堅固無比的墻的另一面，好像穿過了這堵墻一樣（量子隧穿效應）。

比如飲料瓶在桌上，只能保持“正立”“倒立”和“橫躺”三種狀態中的一種，而量子，卻可以同時保持“正立”“倒立”和“橫躺”這三種狀態（量子具有疊加態）。比如我們讓兩個骰子之間產生量子糾纏，那么不論這兩個骰子離得多遠，一個投出點數，我們就能知道另一個的點數。

03

量子比特是什么

隨著對量子研究的深入和量子力學的發展，科學家們想到用電子、光子這類微觀粒子的神奇量子特性來記錄和處理信息。

在經典電子計算機中，科學家將高低電位定義為二進制的0和1，也就是比特，用來記錄和計算。每個晶體管相當于一個開關，通過對開關地撥動完成計算。最終數一下這些開關的開合狀態（開是0，合是1），就能得到二進制計算的結果。

量子計算利用了量子力學的特殊性如疊加、糾纏、測量等來參與計算，是一種跟現在的電子計算機完全不同的新的計算模式。

比如在光量子計算機“九章三號”上，科學家可以將光子的偏振方向這種容易控制的物理特性定義為數學上的0和1，也就是量子比特。

然后控制光子走過一系列透鏡和光纖，通過反射、折射或偏振等一系列物理變化改變光子的偏振方向，這個物理過程其實就是讓光子執行量子計算，最后通過測量光子的最終偏振狀態獲取計算結果。

電子計算機的基本操作單元是比特，即體系中只有1和0兩個狀態。光量子計算機的基本操作單元是光量子比特，由于沒有最終測量的光量子比特可以同時具有多個偏振狀態，也就是光量子比特可以用無窮多個狀態同時參與計算，因此量子計算機有“潛力”做到電子計算機做不到的事情。

“九章三號”光量子計算機局部

04

量子計算“霸權”真相

目前看來，量子計算機最可能的應用是破解比特幣的密碼。比特幣等很多計算機的密碼利用“因數分解”算法來加密信息。

把幾個小數相乘獲得一個大數非常簡單，這種算法就是將幾個小數作為密碼，乘積就是加密的結果。要破解密碼，需要把這個乘積分解回幾個小數才行，這個計算就是“因數分解”。

對經典電子計算機來說“因數分解”耗時非常久。而未來的量子計算機卻能快速解決“因數分解”問題。而“量子霸權”這個詞就是形容一旦某人掌握了能分解大數的量子計算機時，主流加密手段將形同虛設，他就獲得了計算機世界的“霸權”。

但是，目前量子計算機只能分解一些很小的數，如15=3×5。想要真的破解多位數密碼，實現“量子霸權”還很遙遠。

問題是，現在的量子計算機的量子比特數不高，還特別容易受到干擾，讓人不知道量子的結果狀態是因計算改變的還是因干擾改變的。而在“祖沖之三號”之前的量子糾錯技術甚至能越糾越錯，導致計算結果根本沒啥實用價值。

在科學家看來，不能讓普通人現在就看到量子計算機的強大“能力”，也就沒法獲取研究資金。那就只好設計一種不用糾錯，花費量子比特數也不高的任務，最妙的是這個任務用經典電子計算機算起來非常慢。

這個天選之子就是“取樣任務”，它好比走迷宮，傳統計算機每次只能選擇一條路去嘗試，如果失敗了，就只能從頭再來。但是量子計算機走迷宮，就好比同時有幾十上百個人一起嘗試不同的路，瞬間就把所有可能都嘗試一遍，很快就能找到那條正確的路。

因此，才有了超導量子計算機的“隨機線路取樣”任務，光量子計算機的“高斯玻色子取樣”任務。因為取樣問題不用糾錯，直接看最后哪條路上有量子跑出來就行，這完全是“先射箭、后畫靶”。

“九章三號”光量子計算機示意圖

也就是說，量子計算機的強大并不是486計算機比386計算機更快那種全面超越，而是在專為量子計算設計的任務上，才能用幾分鐘得到電子計算機幾十億年才能算出的結果，體現“量子優越性”。

05

未來“全知全能”的計算機

當看懂量子計算機的局限性后，你就知道量子計算機并不會直接取代電子計算機。

就算量子計算機再發展20年，出現了可編程的通用型量子芯片。未來的計算機也應該像現在的GPU與CPU那樣：GPU在圖形顯示和AI等并行簡單運算上加速，而CPU負責指揮全局。

未來這兩種計算架構將相互結合，產生強大的協同效應。讓QPU（量子芯片）在高復雜度并行運算上使勁，與CPU和GPU一道通力協作在各自的領域發揮優點，讓“混合模式”計算機成為“全知全能”的計算機。

06

誰能先打開未來大門

的確，量子計算機擅長解決復雜的難題，小到質因數分解，大到復雜的氣候變化模型、化學反應模擬或金融模型，它都很在行，甚至越復雜越好。

如果一個問題復雜到需要傳統電腦花上整個宇宙誕生至今的時間，也就是138億年，量子計算機理論上也能在25分鐘內解決。

但另一方面，量子計算機目前能探索的應用場景又非常有限，并不適用于數據中心、大數據管理等業務。對于這類問題，重視數據輸入的量子計算會顯得非常低效。

簡單來說，量子電腦真正的威力并非計算速度快，而是能夠平行處理多個問題。所以認為量子計算機“不一定會和傳統計算機打擂臺，而是會像GPU一樣，成為傳統高性能計算機的一部分”也很有道理。

除了應用場景限制，量子計算機又有溫度和技術限制。

不管是前文提到過的超導量子路線，還是半導體量子點的方法，都有個明顯的特性就是低溫。全球各地的量子計算機目前都只能在約0.1開爾文（-273.05℃）、接近絕對零度的極寒溫度下工作，隨著量子計算機運算能力越強，需要的制冷設備只多不少。

技術限制首先體現在其對硬件的要求之高，畢竟誰都不能編碼邏輯比特，目前任何模擬和優化量子算法的演示，都還沒有達到傳統計算機所能達到的水平，其實就是困于硬件限制。

其次，對比傳統計算機，量子計算肯定也需要軟件、算法、云平臺等技術支持。想真的實現量子糾纏這種特性，高端的材料和設備還是要源源不斷地投入進去。

盡管量子計算機初期的應用有諸多制約因素存在，且只能用于特定領域、解決特定問題，但這并不代表它不重要。

就像AI的快速發展一樣，一旦量子電腦起飛，那么該企業或國家馬上就會擁有比掌握高端制程芯片技術更夸張的差異化優勢；對于看輕量子計算的一方來說，則意味著無盡的風險。

06

對量子計算的重視

不應亞于芯片產業

中國：軟硬件研發處于第一梯隊

習近平總書記曾指出，科技是國家強盛之基，創新是引領發展的第一動力。

一般來說，當我們面對一個從原理、技術、機器設備或使用材料都可能不同的新科技時，過去的成功經驗不一定能完美復制，這也意味著潛在競爭的激烈程度。

在量子計算領域，我國與美國一直是你追我趕的態勢，雖然起步晚，但我國在量子計算領域投入了大量的資金和資源，因而推動了該領域的快速發展，并在某些特定量子計算技術方面取得了突破。

那我國目前的量子計算的發展的圖景究竟如何？先說技術路線，在實驗室中任何可控的、有穩定特征能態的量子系統都可以作為量子比特，比如離子、中性原子、光子等，因而發展出多個物理實現路徑。

2019年谷歌公司研制出53個量子比特的“懸鈴木”，在全球首次實現量子優越性之后沒多久，中科院潘建偉院士團隊就發布了76個光子的量子計算原型機“九章”。隨后2021年、2023年，潘建偉團隊又成功研制出113個光子的“九章二號”和255個光子的“九章三號”量子計算原型機——在光量子計算路線上一直穩定推進。

潘建偉院士是我國量子技術的領軍人物

“九章三號”的橫空出世，其實正宣示著我國握有的量子實力。全球科技產業極具指標性的市場調查機構TrendForce甚至在去年年末指出，量子應用市場成長最大推動力，將來自于中國。

但是必須承認，光學系統集成化仍有很大的困難，而超導的方法、半導體量子點的方法，都可以沿用原來半導體的平面工藝。也就是說，光子路線的劣勢在于，它的可擴展性和穩定性仍面臨巨大挑戰，難以構建大規模、高容錯的實用化量子計算機。

幸運的是，在超導路線上，中國并沒有落后。

2021年，潘建偉團隊成功研制出62比特可編程的超導量子計算原型機“祖沖之號”；幾個月后，又推出了66比特的“祖沖之二號”，采用倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規模比特集成的問題，求解速度比谷歌“懸鈴木”提高了6個數量級。

去年12月，超導量子計算機“祖沖之三號”發布，它的計算芯片有105個超導量子比特，在各種性能指標上與谷歌的量子芯片“垂柳（Willow）”旗鼓相當。

除了潘建偉團隊，中科院院士郭光燦創立的本源量子公司，也已經建立了自主超導量子計算機制造能力，且早在2021年，就交付了中國首臺超導量子計算機整機。去年年初，其第三代自主超導量子計算機“本源悟空”上線，本源量子把72比特的“本源悟空”直接上到云端，向全世界開放。

客觀來講，中國在光學和超導兩條技術路線上都實現了量子優越性。

美國：應用層面布局更快

不可否認，美國在量子計算領域擁有更成熟的技術、更完善的產業鏈和更豐富的研究人才儲備，最值得矚目的是其在應用領域的布局。

對美國而言，量子競賽同樣是一場不能輸的戰役。所以，當我國在2016年“十三五”期間提出量子藍圖后，美國國家科學技術委員會立刻決定要投入2.18億美元進行量子技術的科學研究；緊接著又通過《國家量子倡議法案》，表示要在2023年前投入13億美元扶植量子發展，包括量子計算機軟硬件、量子運算、量子材料等項目。

在量子計算機應用層面，美國企業推進較快

國家層面的推動是一方面，另一方面，則是美國科技企業的高參與度。除了谷歌，IBM、微軟、霍尼韋爾、英特爾等擁有豐富資源與技術儲備的企業都在量子計算領域投入重金。

幾家公司技術路線各有不同。谷歌和IBM均選擇了“超導回路”技術，英特爾采用的是“硅量子點”技術，微軟使用的則是“拓撲量子位”技術。

這幾個技術路線都能基于目前成熟的集成電路工業基礎來實踐，當然比憑空造一個物理體系強太多。

IBM選擇“超導回路”技術

要知道，量子計算研發周期長、投入巨大，同時商業回報不確定性高，需要企業有足夠的戰略耐心和雄厚的資金實力。如今，IBM已經制造了數十臺量子計算機，部署在全球多地的科研機構、科技企業中，這也算是長期投資的回報之一。

而我國的科技企業呢？以阿里巴巴為例，當年其聲勢浩大投入的量子實驗室已經捐給了科研機構。

量子計算技術的發展不僅需要科學家，還需要工程師、企業、諸多開發者共同參與，才能幫助其完成從實驗室到市場的飛躍。這一點上，我國的確有所缺失。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

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