可商用量子計算機問世 短期內仍難解決現實問題

本報記者 劉園園

量子計算機，已成為引發激烈角逐的科技前沿。而且，相關競爭有愈演愈烈之勢。

最近引發強烈關注的，是兩大科技巨頭在此領域的進展：IBM於上月宣佈，將於今年10月中旬正式發佈擁有53個量子比特的可商用量子計算機；隨後，谷歌研發團隊在一篇論文中透露，已首次實現量子霸權。

與經典計算機大不相同

據外媒報道，IBM即將發佈的53個量子比特的量子計算機，將通過雲端向客户開放。

這個量子計算機系統將成為IBM位於美國紐約州的新量子計算中心的一部分。該中心擁有5台20個量子比特的量子計算機，並計劃於10月增加至14台。IBM承諾，將對外開放95%的量子計算機的服務。

上世紀90年代，很多研發量子計算機的科學家，被認為是在“騙人”。如今，量子計算機已成為炙手可熱的前沿科技領域，它的發展前景也被眾多科技公司看好。

那麼，到底什麼是量子計算機？

“量子計算機從底層到運算模式都與經典計算機完全不同。”中國科學院物理研究所研究員、固態量子信息與計算實驗室主任範桁介紹道，量子計算機遵循量子力學原理，以量子比特為基本量子信息單元，以量子糾纏、相干疊加為特色，以解決實用和科學問題為目標。

舉個簡單的例子，經典計算機的最基本單元是由0和1組成的比特，量子比特則既可以是0，也可以是1，包含的信息量更大。

“量子計算實現的必要條件包括可擴展、可初始化、長相干等等。”範桁説，其中可擴展性即增加量子比特數目，可實現大規模量子計算；而長相干時間即量子態保持量子相干，能用於邏輯運算。

從用途來看，量子計算機又可以劃分為專用和通用兩種類型。專用計算機可以解決特定的問題，但不適用於解決所有問題；通用量子計算機能解決的問題則更多。

在量子計算機的相關競爭中，量子霸權特別受到關注。

怎麼才算實現了量子霸權？業界通常認為，量子霸權是指量子計算機如果在某個問題上的計算能力超過最強大的傳統計算機，就實現了相對傳統計算機的“霸權”。業界認為，如能有效操縱50個左右的量子比特，就能實現量子霸權。

據外媒報道，谷歌用來實現量子霸權的量子計算機就擁有53個量子比特。

介於能否解決現實問題邊緣

總體而言，現在量子計算機的發展處於什麼水平？

“50個左右量子比特的量子計算機，介於能夠解決現實問題和不能解決現實問題的邊緣。”中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室韓 正甫教授在接受科技日報記者採訪時回答道，短時間內，讓現有量子計算機去解決現實問題雖有難度，但並非不可能。

在韓 正甫看來，量子計算機的未來發展趨勢是非常明確的：首先要把量子計算機架構出來；接下來是增加量子比特數量，提高量子比特質量；之後，量子計算機相關應用軟件也將成為核心競爭點。

“量子計算機的研發工作目前面臨多個核心難題。”韓 正甫説。

這些難題一方面涉及保真度，即量子計算機在計算時產生的誤差可能有多大。誤差越大，保真度就越小。如果保真度小到一定程度，計算結果就會不可信，量子計算機也就失去了存在的意義。所以必須保證保真度達到一定水平。

另一方面是量子相干性的保持。因為量子計算機在計算過程中，必須保持所有量子比特是互相糾纏的，但外部環境干擾會消磨量子的相干性。因此，必須尋找方法讓量子相干性保持時間更長一些，從而在量子相干性消失之前，將計算任務執行完。

“目前量子計算機的算法比較少，這或會影響未來量子計算機的應用前景。”範桁指出。

不過韓 正甫卻給出不同觀點。他認為，目前量子計算機領域主要有兩類算法，如果量子計算機能夠成立的話，這兩類算法的應用面已經比較廣，並足夠讓我們解決很多問題。

“當然，如果有更多新算法，就可以解決更多問題，那將更好。” 韓 正甫説。

對於量子計算機到底會用什麼材料來做，範桁介紹，科研人員仍在不斷嘗試，目前有多種可能，比如用超導材料、光子材料、原子材料等。無論採用哪種材料，核心原則是適於量子計算機的運行規律。

盲人摸象般探索前行

韓 正甫把量子計算機的研發比作“盲人摸象”。

“研發量子計算機就相當於，把現在的經典計算機從頭做起，整個再做一遍，材料、硬件、軟件、算法等所有環節都要重新考慮。”韓 正甫解釋道，與此同時，沒有任何案例可以借鑑，誰也不知道如何做才能成功，所以各個研發團隊只能探索着往前走。

更不要説，研發過程中還會受到量子性質的種種限制，以及各種現實研發條件的限制。

儘管如此，量子計算機誘人的應用前景，仍令人垂涎。

“未來，量子計算機在人工智能、大數據處理、信息搜索、生物製藥、物流優化等領域都可以發揮重要作用。”範桁説，以生物製藥領域為例，量子計算機能更好地模擬生物反應所涉及的量子過程。

多位業內人士告訴科技日報記者，目前國外的谷歌、IBM、Deep-Wave等公司正在大力研發量子計算機，國內的阿里巴巴、騰訊、華為等企業也成立了量子計算機的研發團隊。

從國家層面來看，量子信息技術也受到前所未有的重視。

2018年，美國國會通過了“國家量子倡議法案”。依據該法案，美國將實施國家量子倡議項目，目標是在未來10年加速發展量子信息科學及其技術應用。該法案規定，美國總統必須成立國家量子倡議諮詢委員會，以掌握國家量子倡議項目以及量子信息科學技術領域的進展。

歐盟委員會則在2018年宣佈了“量子旗艦計劃”，預計今後10年在量子研發領域投入10億歐元。該計劃的目標之一是鞏固和擴大歐洲在量子技術研發領域的領先地位。

中國也對量子通信和量子計算機的技術研發十分重視。其中量子通信和量子計算機已被列入“科技創新2030—重大項目”。據相關報道，量子信息科學國家實驗室的建設工作也正在推進。

“如果今後50年是量子計算機的時代，而在量子計算機領域沒有相關核心技術的話，肯定將會受制於人，因此這個領域的競爭是誰也輸不起的。”範桁説。