只談“量子霸權”不談量子計算到底能干啥的，都是耍流氓

2021-07-21 13:07

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創洪雨晗品玩

作者｜洪雨晗

郵箱｜hongyuhan@pingwest.com

“光子芯片不會被卡脖，外國不再有先發優勢！”今年夏天，量子計算、量子芯片吸足了人們的眼球。

從六月底的中國量子計算機“祖沖之”打破量子霸權，到七月上旬世界人工智能大會上首次出現量子相關的分論壇，有行業人士在大會期間疾呼：“我們正處在計算能力真正爆發的前夜，通用量子計算機的時代正在到來。”

先不談量子霸權或量子優越性是什么，首先，量子究竟是什么？

這個問題可以說困擾著一代又一代的物理學家們，愛因斯坦1905年提出光量子假說；玻爾1913年提出他的原子結構論；德布羅意1923年提出相波……但量子理論的先驅們此后都為量子的離奇的特性困擾不已，有關量子的種種問題，即便是今天從事量子前沿領域研究的科學家也無法給出具體答案。

量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）曾說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”

當然，這些讓人頭疼的問題就留給科學家繼續撓頭去，對于我們普通人來說，我們只關心量子計算的時代到底真的像不少從業者說的那樣，馬上就要到來了么？

令普通人產生疑惑的最主要原因，就是當下討論“量子霸權”這種高深的經過層層包裝的概念太多，而談論最基礎信息從而讓大家更了解量子計算機真實“功能”的又太少。

什么是經典計算機、什么是量子計算機、為何量子計算如此重要？只有弄清了這些問題，才知道近年來不管是政府、科研機構、高校，還是各公司、投資機構關注量子計算的原因，以及量子計算機實現和具體應用的難點。

自1946年第一臺電腦發明至今，人類社會一直追求著更快、更強的計算機性能用來處理海量數據，但如今經典計算機的摩爾定律迭代已逐漸跟不上人類對算力的追求了。

經典計算機的運行機制大家或許都有耳聞，即為經典的馮·諾依曼架構，傳統計算機是通過集成電路中電路的通斷來實現0、1之間的區分。傳統馮·諾依曼計算機體系結構的存儲程序方式造成了系統對存儲器的依賴，CPU 訪問存儲器的速度制約了系統運行的速度，更具體一點，芯片的性能（包括但不僅僅是晶體管數量的多少）決定著計算機的運算速度。

然而，如今芯片先進制程面臨著巨大的難題——量子隧穿效應帶來的漏電流。該原理已涉及到量子力學相關理論，可以簡單理解為當材料逼近1nm的物理極限時，有一定的電子可以跨過勢壘，從而漏電。這個問題對于人類來說暫時是無解的，因為物理理論還沒有搞清楚這個現象。

如今，一些科研機構和實驗室中已實現2nm芯片的技術路線，但繼續走下去無疑需要前沿物理理論的再次突破，這不是短時間能攻克的問題，因此，在人類基礎理論沒有突破性進展的情況下，未來更具想象性的量子計算來了。

無法戰勝它便加入它，不少科研人員選擇擁抱量子的特性，使用粒子的特殊量子特性來進行計算，一扇新世界的大門也就此展開。如何利用量子的特性來運算呢？為確保準確，這里引用我國量子光學的泰斗級人物郭光燦院士的表述。

“量子比特可以制備在兩個邏輯態0和1的相干疊加態，換句話講，它可以同時存儲0和1。考慮一個 N個物理比特的存儲器，若它是經典存儲器，則它只能存儲2^N個可能數據當中的任一個，若它是量子存儲器，則它可以同時存儲2^N個數，而且隨著 N的增加，其存儲信息的能力將指數上升，例如，一個250量子比特的存儲器（由250個原子構成）可能存儲的數達2^250,比現有已知的宇宙中全部原子數目還要多。

由于數學操作可以同時對存儲器中全部的數據進行，因此，量子計算機在實施一次的運算中可以同時對2^N個輸入數進行數學運算。其效果相當于經典計算機要重復實施2^N次操作，或者采用2^N個不同處理器實行并行操作。可見，量子計算機可以節省大量的運算資源（如時間、記憶單元等）。”

用更直觀的比喻來說就是，如果要走出一個迷宮，傳統計算機就像一個永不停歇的小人兒，在岔路做出選擇，一條道走到黑，走到頭發現錯了再回頭重走；而超級計算機也是這個小人，只不過移速更快，效率更高，但本質還是一條道走到黑；而量子計算機則完全不同，它的小人是會影分身的小人，每走到一個路口，無需做出選擇，可以自動分出一個自我同時走，這樣的結果就是效率以指數級提升。

至于為何量子計算機的小人可以同時走不同的路，背后的原理沒人知道，但科學家們把一個量子比特既是0又是1的這種現象稱之為量子的疊加態，其衍化出來的著名實驗有薛定諤的貓以及平行時空/平行宇宙的假設。

量子計算機在特定運算領域領先經典計算機的運算方式用小學數學來講，就是如果要運算a*b*c*d*e*f，經典計算機需要先算a*b，然后把其結果乘以c，再乘以d……得出結果后繼續上述步驟，一步一步慢慢來，而量子計算機則是同時運算a*b、c*d、e*f，因此，量子計算機在特定計算上要比經典計算機快無數倍。

到底有多快呢，潘建偉與朱曉波教授帶領的中國科技大學團隊，使用66量子位的超導型量子計算機“祖沖之”處理對隨機量子電路的輸出分布進行采樣，用了1.2小時就完成，而當前最強大的經典超級計算機完成運算則需要8年。

超強的計算能力使量子計算機在未來可以為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規模計算的行業服務，并可揭示高溫超導、量子霍爾效應等復雜物理機制，為先進材料制造和新能源開發等奠定科學基礎。

這是否意味著量子計算機已經全面超越了經典計算機呢？答案是否定的。量子計算機雖然有神奇的量子疊加態可以應用，但受制于現階段量子計算機的發展水平，其實際能用到的場景卻是非常有限的。華為量子計算軟件與算法首席科學家翁文康在WAIC上的演講中表示，在量子系統仿真、量子化學、組合優化、機器學習等領域的“專用”量子計算機預計成熟期為3-5年，而在大數分解、數據庫搜索、量子動力學、量子人工智能等領域“通用”量子計算機預計成熟期可能需要10年甚至更久。

可以說現在所有的量子計算機仍只是專用計算機，無法像經典計算機一樣解決通用性的問題。如，去年我國轟動一時的量子計算機“九章”，其設計出來就是為了“求解高斯玻色取樣”，在此類專項問題求解上非常快，但它在做其他的計算任務或許還沒有我們手中的電腦、手機快。

要解決量子計算機的通用性難題并不容易，Intel院士、研究院院長Rich Uhlig曾做過一個估算，“只有在數百個甚至數千個量子位可靠運行的情況下，量子計算機才能比超級計算機更快地解決實際問題。”壁仞科技創始人、董事長、CEO張文認為，量子計算在實用性、成本和軟件上依然存在瓶頸，需進一步提升量子比特數和量子糾錯能力，量子計算機才有成功商用的可能。

但現在量子芯片還處在數十個量子比特的一段，加上量子比特的操縱還是業界的難題，離商用水平還為時過早，導致大規模的量子算法還沒有可以承載運行的平臺。

在今年的WAIC上，圖靈量子創始人金賢敏教授在接受媒體采訪時表示，實現通用量子計算機有三個前提——百萬量子比特的操縱能力、低環境要求、高集成度。他認為光量子路徑是唯一能夠滿足這些條件的技術體系，是通向大規模通用量子計算的最可行路徑。

量子計算有不同的實現路徑，如“祖沖之”是超導量子計算，“九章”是光量子計算，除了超導和光量子計算，離子阱方案、核磁共振方案、金剛石方案、超冷原子方案、拓撲比特方案等等。

金賢敏教授則對光量子計算機的商業落地持樂觀態度。他表示兩年前大家認為需要10~15年量子霸權才有可能會實現，結果2019年谷歌、2020年中國都紛紛實現了量子霸權，所以現在大家覺得遙遠的技術體系突破和產業應用的落地可能會比預想中來得更快。

當然，量子霸權僅代表量子計算機在解決某些特定問題上的能力超越了任何經典計算機，但“量子霸權”其實只是量子計算機發展的一個階段，此時的量子計算機仍屬于專用機范疇，要想量子計算種種“夢幻般”的應用真正落地，恐怕還有不短的路需要走。