01

量子計(jì)算機(jī)怎么就無法替代傳統(tǒng)電腦

在前不久的英偉達(dá)GTC的“量子日”活動(dòng)中，黃仁勛調(diào)侃自己在今年1月說的“量子技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用至少還需20年”，變相認(rèn)了錯(cuò)。

英偉達(dá)的CUDA-X生態(tài)，其中就包括了CUDA-Q

但我看黃仁勛之前對量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)際應(yīng)用還早得很的評價(jià)并沒什么錯(cuò)。

現(xiàn)在的量子計(jì)算公司上市的雖然不少，但他們的產(chǎn)品確實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法產(chǎn)生實(shí)際價(jià)值。而且就算未來量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到具有商業(yè)價(jià)值時(shí)，經(jīng)典的電子計(jì)算機(jī)也不會(huì)被它淘汰，最大的可能是兩者協(xié)同合作，在各自優(yōu)勢的領(lǐng)域發(fā)揮作用。比如讓“生成式AI”進(jìn)化成“生成式量子AI”，真正獲得創(chuàng)造力。

黃仁勛與討論會(huì)嘉賓

02

量子到底是什么？

想要真的深入理解量子和量子計(jì)算，即使是個(gè)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(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)重要概念。簡單來說，當(dāng)一個(gè)物理量比如光，在不斷分割后會(huì)成為無法再細(xì)分的一份份的光子，這說明光是不連續(xù)的，科學(xué)家把這種不連續(xù)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(xué)家發(fā)現(xiàn)，在微觀世界中光、能量、原子、角動(dòng)量、自旋和電荷都是可量子化的，后來人們把這些科學(xué)家從微觀世界中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律都納入了“量子力學(xué)”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(rèn)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(dòng)前進(jìn)（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(xiàn)在一堵堅(jiān)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(yīng)）。比如飲料瓶在桌上，只能保持“正立”“倒立”和“橫躺”三種狀態(tài)中的一種，而量子，卻可以同時(shí)保持“正立”“倒立”和“橫躺”這三種狀態(tài)（量子具有疊加態(tài)）。比如我們讓兩個(gè)骰子之間產(chǎn)生量子糾纏，那么不論這兩個(gè)骰子離得多遠(yuǎn)，一個(gè)投出點(diǎn)數(shù)，我們就能知道另一個(gè)的點(diǎn)數(shù)。

03

量子比特是什么

隨著對量子研究的深入和量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)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(jīng)典電子計(jì)算機(jī)中，科學(xué)家將高低電位定義為二進(jìn)制的0和1，也就是比特，用來記錄和計(jì)算。每個(gè)晶體管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，通過對開關(guān)地?fù)軇?dòng)完成計(jì)算。最終數(shù)一下這些開關(guān)的開合狀態(tài)（開是0，合是1），就能得到二進(jìn)制計(jì)算的結(jié)果。

“九章三號”光量子計(jì)算機(jī)局部

量子計(jì)算利用了量子力學(xué)的特殊性如疊加、糾纏、測量等來參與計(jì)算，是一種跟現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)完全不同的新的計(jì)算模式。

比如在光量子計(jì)算機(jī)“九章三號”上，科學(xué)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(shù)學(xué)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(gè)物理過程其實(shí)就是讓光子執(zhí)行量子計(jì)算，最后通過測量光子的最終偏振狀態(tài)獲取計(jì)算結(jié)果。

電子計(jì)算機(jī)的基本操作單元是比特，即體系中只有1和0兩個(gè)狀態(tài)。光量子計(jì)算機(jī)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(shí)具有多個(gè)偏振狀態(tài)，也就是光量子比特可以用無窮多個(gè)狀態(tài)同時(shí)參與計(jì)算，因此量子計(jì)算機(jī)有“潛力”做到電子計(jì)算機(jī)做不到的事情。

04

量子計(jì)算“霸權(quán)”真相

目前看來，量子計(jì)算機(jī)最可能的應(yīng)用是破解比特幣的密碼。比特幣等很多計(jì)算機(jī)的密碼利用“因數(shù)分解”算法來加密信息。

把幾個(gè)小數(shù)相乘獲得一個(gè)大數(shù)非常簡單，這種算法就是將幾個(gè)小數(shù)作為密碼，乘積就是加密的結(jié)果。要破解密碼，需要把這個(gè)乘積分解回幾個(gè)小數(shù)才行，這個(gè)計(jì)算就是“因數(shù)分解”。

對經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)來說“因數(shù)分解”耗時(shí)非常久。而未來的量子計(jì)算機(jī)卻能快速解決“因數(shù)分解”問題。而“量子霸權(quán)”這個(gè)詞就是形容一旦某人掌握了能分解大數(shù)的量子計(jì)算機(jī)時(shí)，主流加密手段將形同虛設(shè)，他就獲得了計(jì)算機(jī)世界的“霸權(quán)”。

但是，目前量子計(jì)算機(jī)只能分解一些很小的數(shù)，如15=3×5。想要真的破解多位數(shù)密碼，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”還很遙遠(yuǎn)。

“九章三號”光量子計(jì)算機(jī)示意圖

問題是，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)不高，還特別容易受到干擾，讓人不知道量子的結(jié)果狀態(tài)是因計(jì)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(cuò)技術(shù)甚至能越糾越錯(cuò)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果根本沒啥實(shí)用價(jià)值。

在科學(xué)家看來，不能讓普通人現(xiàn)在就看到量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大“能力”，也就沒法獲取研究資金。那就只好設(shè)計(jì)一種不用糾錯(cuò)，花費(fèi)量子比特?cái)?shù)也不高的任務(wù)，最妙的是這個(gè)任務(wù)用經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)算起來非常慢。

這個(gè)天選之子就是“取樣任務(wù)”，它好比走迷宮，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)走迷宮，就好比同時(shí)有幾十上百個(gè)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(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的“隨機(jī)線路取樣”任務(wù)，光量子計(jì)算機(jī)的“高斯玻色子取樣”任務(wù)。因?yàn)槿訂栴}不用糾錯(cuò)，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”。

也就是說，量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大并不是486計(jì)算機(jī)比386計(jì)算機(jī)更快那種全面超越，而是在專為量子計(jì)算設(shè)計(jì)的任務(wù)上，才能用幾分鐘得到電子計(jì)算機(jī)幾十億年才能算出的結(jié)果，體現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。

05

未來“全知全能”的計(jì)算機(jī)

當(dāng)看懂量子計(jì)算機(jī)的局限性后，你就知道量子計(jì)算機(jī)并不會(huì)直接取代電子計(jì)算機(jī)。

就算量子計(jì)算機(jī)再發(fā)展20年，出現(xiàn)了可編程的通用型量子芯片。未來的計(jì)算機(jī)也應(yīng)該像現(xiàn)在的GPU與CPU那樣：GPU在圖形顯示和AI等并行簡單運(yùn)算上加速，而CPU負(fù)責(zé)指揮全局。

未來這兩種計(jì)算架構(gòu)將相互結(jié)合，產(chǎn)生強(qiáng)大的協(xié)同效應(yīng)。讓QPU（量子芯片）在高復(fù)雜度并行運(yùn)算上使勁，與CPU和GPU一道通力協(xié)作在各自的領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)，讓“混合模式”計(jì)算機(jī)成為“全知全能”的計(jì)算機(jī)。

06

誰能先打開未來大門

的確，量子計(jì)算機(jī)擅長解決復(fù)雜的難題，小到質(zhì)因數(shù)分解，大到復(fù)雜的氣候變化模型、化學(xué)反應(yīng)模擬或金融模型，它都很在行，甚至越復(fù)雜越好。

如果一個(gè)問題復(fù)雜到需要傳統(tǒng)電腦花上整個(gè)宇宙誕生至今的時(shí)間，也就是138億年，量子計(jì)算機(jī)理論上也能在25分鐘內(nèi)解決。

但另一方面，量子計(jì)算機(jī)目前能探索的應(yīng)用場景又非常有限，并不適用于數(shù)據(jù)中心、大數(shù)據(jù)管理等業(yè)務(wù)。對于這類問題，重視數(shù)據(jù)輸入的量子計(jì)算會(huì)顯得非常低效。

簡單來說，量子電腦真正的威力并非計(jì)算速度快，而是能夠平行處理多個(gè)問題。所以認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)“不一定會(huì)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)打擂臺，而是會(huì)像GPU一樣，成為傳統(tǒng)高性能計(jì)算機(jī)的一部分”也很有道理。

除了應(yīng)用場景限制，量子計(jì)算機(jī)又有溫度和技術(shù)限制。

不管是前文提到過的超導(dǎo)量子路線，還是半導(dǎo)體量子點(diǎn)的方法，都有個(gè)明顯的特性就是低溫。全球各地的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)運(yùn)算能力越強(qiáng)，需要的制冷設(shè)備只多不少。

技術(shù)限制首先體現(xiàn)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(yōu)化量子算法的演示，都還沒有達(dá)到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的水平，其實(shí)就是困于硬件限制。

其次，對比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算肯定也需要軟件、算法、云平臺等技術(shù)支持。想真的實(shí)現(xiàn)量子糾纏這種特性，高端的材料和設(shè)備還是要源源不斷地投入進(jìn)去。

盡管量子計(jì)算機(jī)初期的應(yīng)用有諸多制約因素存在，且只能用于特定領(lǐng)域、解決特定問題，但這并不代表它不重要。

就像AI的快速發(fā)展一樣，一旦量子電腦起飛，那么該企業(yè)或國家馬上就會(huì)擁有比掌握高端制程芯片技術(shù)更夸張的差異化優(yōu)勢；對于看輕量子計(jì)算的一方來說，則意味著無盡的風(fēng)險(xiǎn)。

07

對量子計(jì)算的重視

不應(yīng)亞于芯片產(chǎn)業(yè)

習(xí)近平總書記曾指出，科技是國家強(qiáng)盛之基，創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力。

一般來說，當(dāng)我們面對一個(gè)從原理、技術(shù)、機(jī)器設(shè)備或使用材料都可能不同的新科技時(shí)，過去的成功經(jīng)驗(yàn)不一定能完美復(fù)制，這也意味著潛在競爭的激烈程度。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，我國與美國一直是你追我趕的態(tài)勢，雖然起步晚，但我國在量子計(jì)算領(lǐng)域投入了大量的資金和資源，因而推動(dòng)了該領(lǐng)域的快速發(fā)展，并在某些特定量子計(jì)算技術(shù)方面取得了突破。

那我國目前的量子計(jì)算的發(fā)展的圖景究竟如何？先說技術(shù)路線，在實(shí)驗(yàn)室中任何可控的、有穩(wěn)定特征能態(tài)的量子系統(tǒng)都可以作為量子比特，比如離子、中性原子、光子等，因而發(fā)展出多個(gè)物理實(shí)現(xiàn)路徑。

2019年谷歌公司研制出53個(gè)量子比特的“懸鈴木”，在全球首次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性之后沒多久，中科院潘建偉院士團(tuán)隊(duì)就發(fā)布了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。隨后2021年、2023年，潘建偉團(tuán)隊(duì)又成功研制出113個(gè)光子的“九章二號”和255個(gè)光子的“九章三號”量子計(jì)算原型機(jī)——在光量子計(jì)算路線上一直穩(wěn)定推進(jìn)。

潘建偉院士是我國量子技術(shù)的領(lǐng)軍人物

“九章三號”的橫空出世，其實(shí)正宣示著我國握有的量子實(shí)力。全球科技產(chǎn)業(yè)極具指標(biāo)性的市場調(diào)查機(jī)構(gòu)TrendForce甚至在去年年末指出，量子應(yīng)用市場成長最大推動(dòng)力，將來自于中國。

但是必須承認(rèn)，光學(xué)系統(tǒng)集成化仍有很大的困難，而超導(dǎo)的方法、半導(dǎo)體量子點(diǎn)的方法，都可以沿用原來半導(dǎo)體的平面工藝。也就是說，光子路線的劣勢在于，它的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性仍面臨巨大挑戰(zhàn)，難以構(gòu)建大規(guī)模、高容錯(cuò)的實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)。

幸運(yùn)的是，在超導(dǎo)路線上，中國并沒有落后。

2021年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功研制出62比特可編程的超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”；幾個(gè)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(guī)模比特集成的問題，求解速度比谷歌“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級。

去年12月，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之三號”發(fā)布，它的計(jì)算芯片有105個(gè)超導(dǎo)量子比特，在各種性能指標(biāo)上與谷歌的量子芯片“垂柳（Willow）”旗鼓相當(dāng)。

除了潘建偉團(tuán)隊(duì)，中科院院士郭光燦創(chuàng)立的本源量子公司，也已經(jīng)建立了自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造能力，且早在2021年，就交付了中國首臺超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)整機(jī)。去年年初，其第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“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(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線上都實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。

08

美國：應(yīng)用層面布局更快

不可否認(rèn)，美國在量子計(jì)算領(lǐng)域擁有更成熟的技術(shù)、更完善的產(chǎn)業(yè)鏈和更豐富的研究人才儲備，最值得矚目的是其在應(yīng)用領(lǐng)域的布局。

對美國而言，量子競賽同樣是一場不能輸?shù)膽?zhàn)役。所以，當(dāng)我國在2016年“十三五”期間提出量子藍(lán)圖后，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)立刻決定要投入2.18億美元進(jìn)行量子技術(shù)的科學(xué)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(fā)展，包括量子計(jì)算機(jī)軟硬件、量子運(yùn)算、量子材料等項(xiàng)目。

在量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用層面，美國企業(yè)推進(jìn)較快

國家層面的推動(dòng)是一方面，另一方面，則是美國科技企業(yè)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(shù)儲備的企業(yè)都在量子計(jì)算領(lǐng)域投入重金。

幾家公司技術(shù)路線各有不同。谷歌和IBM均選擇了“超導(dǎo)回路”技術(shù)，英特爾采用的是“硅量子點(diǎn)”技術(shù)，微軟使用的則是“拓?fù)淞孔游弧奔夹g(shù)。

這幾個(gè)技術(shù)路線都能基于目前成熟的集成電路工業(yè)基礎(chǔ)來實(shí)踐，當(dāng)然比憑空造一個(gè)物理體系強(qiáng)太多。

IBM選擇“超導(dǎo)回路”技術(shù)

要知道，量子計(jì)算研發(fā)周期長、投入巨大，同時(shí)商業(yè)回報(bào)不確定性高，需要企業(yè)有足夠的戰(zhàn)略耐心和雄厚的資金實(shí)力。如今，IBM已經(jīng)制造了數(shù)十臺量子計(jì)算機(jī)，部署在全球多地的科研機(jī)構(gòu)、科技企業(yè)中，這也算是長期投資的回報(bào)之一。

而我國的科技企業(yè)呢？以阿里巴巴為例，當(dāng)年其聲勢浩大投入的量子實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)捐給了科研機(jī)構(gòu)。

量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展不僅需要科學(xué)家，還需要工程師、企業(yè)、諸多開發(fā)者共同參與，才能幫助其完成從實(shí)驗(yàn)室到市場的飛躍。這一點(diǎn)上，我國的確有所缺失。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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