实现通用量子计算机还需20年。
作者
刘景丰
过去一直深藏研究院、实验室里的量子计算，正成为科技公司争夺的下一个制高点。
从年开始，量子科技这个前沿的领域突然获得资本的青睐。数据显示，年全球量子科技公司融资金额大概在10亿美元左右，而到了年这一数额就超过30亿美元。今年，这种热度仍在持续。就在上个月，本源量子完成近10亿元B轮融资，甚至登上了目前量子计算领域融资榜榜首。
除创业公司，科技大公司也纷纷在这一领域发力。8月25日，百度举办“量见未来”量子开发者大会，并发布了超导量子计算机“乾始”和全球首个全平台量子软硬一体解决方案“量羲”，为客户提供量子计算服务。此外针对C端用户，百度还推出了一款App“量易伏”，为程序员提供各种查询的编程方式。
除了百度之外，阿里、腾讯等科技公司也在布局该领域，此前阿里还曾发布一款量子芯片。
科技公司纷纷押注，量子计算似乎正卸下神秘的面纱，但它距离大众究竟还有多远？
1.百度首“吃螃蟹”，发布超导量子计算机
整场发布会上，最能激发人们好奇心的就是百度发布的超导量子计算机“乾始”。
它集合了量子硬件、量子软件、量子应用于一体，其中硬件平台搭载10量子比特高保真度超导量子芯片，可为用户提供稳定的量子计算服务。其中，最核心的量子处理器（芯片）被放在一个名为“极低温测试平台”的低温装置，其最低温度接近绝对零度（-℃）。“这就好比，你越冷静就会越清醒，算得越快。”百度量子计算研究所所长段润尧在讲解中打趣道。
硬件是核心的一环，但仅有硬件是不够的。百度CTO王海峰称，将量子硬件转化为量子服务是充满挑战的工作，意味着打通从底层量子硬件，到操作系统，再到上层应用软件的全流程。
实际上，百度在量子计算领域最拿手的是软件和应用部分。百度量子成立于年3月，先后发布了国内首个云上量子脉冲系统“量脉”，全球首个云量一体的量子机器学习平台“量桨”，全球首个云原生量子计算平台“量易伏”。
段润尧介绍，整个量子计算平台中，最底层是硬件，即上述提到的硬件平台；中间层是软件，即操作系统部分，如“量易伏”；最上层是应用，比如“量桨”。
此外，“乾始”量子软件平台支持通过云服务获得量子算力，提供产业级量子计算服务。
为了简化量子硬件部署到量子服务的全流程，百度还推出全球首个全平台量子软硬一体解决方案“量羲”。据称，“量羲”可提供私有化部署、云服务、硬件接入等一系列服务，具备适配超导、离子阱等多类型主流量子芯片，可实现量子芯片“即插即用”。
据介绍，目前“量羲”已经完成中科院物理所超导量子芯片和中科院精密测量院离子阱量子芯片连接验证。
2.量子科技的核心是量子计算
尽管“乾始”和“量易伏”让普通人得已真正接触到量子计算，但当下离真正的量子计算应用还有不小的距离。
中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤称，当前正处在第二次量子技术革命的前夜，是从量子力学规律的被动发现、发展，转向主动设计与操控量子体系来发展技术的关键时期。
他认为，第二次量子技术主要包括量子计算、量子通讯和量子精密测量等三大领域。
其中的核心，是量子计算。没有量子计算，仅仅是量子通讯和量子精密测量，不足以动摇现有信息社会的信息技术根基。所谓量子计算，就是按照既定的算法和程序对量子态进行操控的过程。量子态的演化过程，对应的就是一个量子计算过程。
中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员、北京量子信息科学研究院院长向涛用经典计算机算力与量子计算算力做了对比：经典计算机算力与单位面积半导体芯片可容纳的晶体管数或比特数成正比，增长一倍的算力，就必须增加一倍的集成度，在过去几十年，经典计算机的集成度和计算能力大约每18个月增加一倍，这就是著名的“摩尔定律”；而量子计算机的算力随比特数目不是线性增加的，是指数增加的，也即每增加一个量子比特，量子计算机的算力就会增加一倍，这就是量子计算对信息处理的指数加速作用，也是经典计算机可望而不可及的。
“从原理上讲，如果实现了量子计算的指数加速作用，一台个容错量子比特量子计算机的算力，就可超越目前世界上所有计算机的算力之和。”向涛说。
以信息安全为例，经典计算机破译RSA公钥密码系统需要10万年以上，而量子计算机仅需1秒就能破译。
清华大学交叉信息研究院教授段路明称，目前实现量子计算硬件最主要的两个模式是：超导量子计算和离子阱量子计算。
3.量子计算的“内忧”和“外患”
即使是国内最顶尖的学者、科学家，也认为当下的量子计算发展面临着诸多挑战。
其中之一就是量子芯片。百度量子计算研究所所长段润尧称，目前的量子芯片设计还处在半手工、半自动化的状态，“在不远的将来，当量子比特数量多达几十、几百个，乃至几千、几万个，就没有办法用半自动化的方式做了。”
百度量子计算研究所所长段润尧
段润尧称，理想的方式是，百度能够和硬件团队进行合作，将来变成定制芯片，百度量子主要做芯片的设计，芯片性能的仿真、以及版图自动生成这样一整套QEDA工具。
除此之外，国内的量子科学还面临着其他的内部和外部挑战。中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长、南方科技大学讲席教授俞大鹏将其总结为量子科技领域的“内忧”和“外患”。
“内忧”是指，由于一些传统的影响，我们国家在高科技领域，常出现“跟班式”重复建设、恶性竞争等行维，“目前可以看到，是个人就搞量子这种事情比较多，但真正有自己核心技术和自己竞争力的并不多见。”俞大鹏说。
同时，过去国内科研领域偏重论文而轻于核心关键技术的研发，这导致很多高科技的设备都受国外制约。
对于“外患”，俞大鹏认为，一方面随着国际形势的变化，美国对中国进行DUV等设备的禁运，造成国内在包括量子领域在内的高科技受到了封锁。
这就需要国内科研人员去做多方面的突破。
4.实现通用量子计算机还需20年
向涛认为，量子计算未来有三方面的发展趋势：
一是规模化。当前量子计算可操控的量子比特数大约为个，今后将逐渐达到几千个、几万个、几百万个；
二是容错化。量子计算需要很多量子比特，但更需要制备出相干时间可以任意长的所谓容错的逻辑量子比特；
三是集成化。集成和小型化是降低量子计算机研发成本、实现量子计算机广泛应用的前提。对未来做一个展望，乐观估计，到年左右，高质量制备和操控的量子比特数将达到上万个，在这个基础上，通过对大量量子比特的不断纠错，有望制备出一个能容错的逻辑量子比特；再过10年，也就是年左右，能实现对多个逻辑量子比特和普适逻辑门的相关操控，并且在这个基础上制备出普适的量子计算机。
跟其观点类似的还有中国科学院院士、科学技术大学常务副校长、世界著名的量子信息专家潘建伟。他在该大会的致辞中也表示，当前学术界把量子计算的发展分为三个发展阶段：
第一阶段的目标是实现量子计算优越性，即量子计算机对特定问题的计算能力超越超级计算机，这一目标已经有美国、中国和加拿大先后达到；
第二阶段的目标是实现专用的量子模拟机，可以应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，来指导材料设计、药物开发等，达到这一阶段，估计还需要5到10年，是当前学术界主要的研究任务；
第三阶段是在实现量子纠错的基础上，构建可编程通用量子计算机。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚未明确，学术界一般认为还需要15年至20年，甚至更长的时间。
可以看出，量子计算距离实用化和产业化还有很长的路要走。
但是，一个值得反思的问题是，国内也出现了一些炒作概念、蜂拥而上的状况。“尤其是对量子计算的应用进行了某些超于实际，不切实际的宣传，对公众和投资者造成了一定的误导。这从长远来讲，会对量子计算整个领域的健康发展带来不利影响。”潘建伟说。
当前量子科技的发展正逐步面向产业化，这就需要一个良好的量子发展生态来维持、保障和促进量子计算产学研深度融合和协同创新，从而提高基础研究向实用化和工程化转化的速度和效率。
在薛其坤看来，量子计算机的竞争归根到底是发展生态的竞争，而量子生态的长远发展，最关键的还是量子科技工作者和量子开发者。
