2019年可謂量子計算的光輝之年，量子計算在這一年中不僅取得了諸多突破性進展，還連帶產(chǎn)生了大量創(chuàng)新式應(yīng)用，如德國HQS宣布通過量子計算機有效模擬化學工程，奔馳計劃用量子計算機開發(fā)新型電池材料，大眾汽車通過量子計算機測試現(xiàn)實世界的交通優(yōu)化情況等。
億歐智庫最新發(fā)布的《2020技術(shù)趨勢報告》中，通過技術(shù)篩選以及關(guān)鍵性指標測評，將量子計算技術(shù)列為2020年之后的重點發(fā)展趨勢。
量子計算是基于量子力學的新型計算方式，利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本單元，通過量子態(tài)的受控演化實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲計算，量子計算包含量子處理器、量子編碼、量子算法、量子軟件以及外圍保障等多個技術(shù)環(huán)節(jié)。
量子比特，堆砌量子計算超長賽道
量子計算概念最早于20世紀80年代初期由費曼（Richard Feynman）和馬寧（Yuri Manin）提出，初步描繪出量子現(xiàn)象具有潛在計算能力的發(fā)展愿景。
1985年，牛津大學的多伊奇（David Deutsch）提出了量子計算機的概念模型，即通用計算機（或叫量子圖靈機），量子計算此時開始具備了數(shù)學的基本形式，任意一種量子算法均可以利用通用量子計算機實現(xiàn)。
1998年，IBM、牛津、伯克利、斯坦福和麻省理工學院的研究人員首次制作了2比特的計算系統(tǒng)，此后便拉開了量子計算的競賽序幕。
可能大家對量子比特的意義相對陌生，量子計算機的計算能力是由量子比特數(shù)量來確定，通過設(shè)置量子比特，利用量子門讓它們處于糾纏態(tài)，并操縱它們各個狀態(tài)出現(xiàn)的可能性，以此達到并行計算能力。因此，量子比特數(shù)是衡量量子計算機性能的重要指標之一。
2018年，谷歌則已經(jīng)成功研制出72量子比特芯片，并宣稱這款量子芯片的錯誤率僅為1%，達到了實際使用的要求。2020年2月，英特爾公司宣稱，與荷蘭量子技術(shù)研究中心共同開發(fā)的低溫量子控制芯片“馬嶺（Horse Ridge）”有潛力同時控制最多128個量子比特；同時，初創(chuàng)企業(yè)Rigetti CompuTIng也正計劃部署一個128量子位量子計算系統(tǒng)。
量子處理器，量子計算的核心博弈
雖然IBM、英特爾和谷歌等巨頭公司在量子比特方面不斷獲得突破，但都只是在量子處理器的核心方面，通過物理體系構(gòu)建量子比特載體，目前世界上已經(jīng)形成了超導、離子阱、半導體、中性原子、光量子、金剛石色心和拓撲等多種技術(shù)路線。
在科研界，普遍較多采用光學體系、離子阱等技術(shù)來做量子計算研究;而在企業(yè)工程化方向上，主流企業(yè)是在超導和半導體方向上進行研究突破，如谷歌、IBM主要技術(shù)路線為超導體系，英特爾主要技術(shù)路線為半導體體系。
在眾多主流技術(shù)路線中，超導技術(shù)和離子阱技術(shù)目前具有相對領(lǐng)先優(yōu)勢，其中，超導量子計算是目前進展最快的一種固體量子計算實現(xiàn)方法。2019年，谷歌在一臺53量子比特的超導量子計算機上運行隨機量子線路采樣任務(wù)，并與模擬超級計算機的計算進行對比，實現(xiàn)了量子計算原理和技術(shù)潛力的優(yōu)勢證明，谷歌當時更是直接宣稱實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。
隨后，IBM對谷歌的說法進行了反駁，聲稱谷歌的“量子霸權(quán)”證明存有缺陷，并通過超級計算機的計算能力再次進行了對比證明，花了2.5天就完成了谷歌量子處理器的計算任務(wù)。不論雙方最終誰被證明是正確的，不可否認的是，谷歌實驗的確證明了量子計算的絕對優(yōu)勢，并在量子計算的第一階段取得了重要突破。
這里需要解釋一下什么是量子霸權(quán)，量子霸權(quán)又叫量子優(yōu)勢，即在未來的某個時刻，功能強大的量子計算機可以完成經(jīng)典計算機幾乎不可能完成的任務(wù)，打破經(jīng)典計算機所遵循的“摩爾定律”。 比如在一天之內(nèi)破解原本幾萬年才能破解的密碼、實現(xiàn)通用人工智能等等。
谷歌、IBM等巨頭公司之所以會在量子霸權(quán)上進行爭奪，是因為率先進入量子霸權(quán)后，不僅是對企業(yè)技術(shù)實力最好的證明，同時也會為企業(yè)帶來巨大的商業(yè)價值。
2019年底，中科大在玻色取樣方面的研究成功也使得光量子技術(shù)路線得到進一步追趕，但從整體應(yīng)用情況來看，目前尚無任何一種路線能夠完全滿足量子計算的實用化條件。
量子算法，推動量子計算發(fā)展的“活力劑”
量子處理器可應(yīng)用之后，如果想要實現(xiàn)具體問題的解決，就必須要有相對應(yīng)的算法。
在量子算法方面，1994年，貝爾實驗室的應(yīng)用數(shù)學家彼得·肖爾（Peter Shor）提出基于量子并行計算的大數(shù)質(zhì)因子分解算法，并證明量子計算可以攻破當時廣泛使用的公鑰SPA體系;1996年，貝爾實驗室的格魯弗（Grover）提出了量子搜索方法，可以快速搜索未排序的數(shù)據(jù)庫。Shor算法和Grover算法為量子計算機找到了可能的實際應(yīng)用，也被稱為經(jīng)典量子算法。
此后，包括QEA算法、Grover算法， HHL算法、量子遺傳算法、量子蟻群算法等各類算法層出不窮，對量子計算并行處理解決具體計算困難問題提供了重要支撐，基于量子處理器的量子計算云平臺成為算法研究應(yīng)用發(fā)展的主要形式。
目前，關(guān)于量子算法的推進速度遠超量子處理器的的研發(fā)速度。因為多數(shù)企業(yè)開始采用經(jīng)典計算機模擬量子芯片的計算方式，在虛擬化境下進行量子算法演繹，等量子算法成熟后，再反向推動專用量子芯片的設(shè)計，用以解決某一領(lǐng)域的具體問題。
如2017年，IBM便發(fā)布了全球首個通用量子計算云服務(wù)。2018年，本源量子計算云平臺成功上線;中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院與阿里云宣布，在超導量子計算方向發(fā)布11比特的云接入超導量子計算服務(wù)。2019年，華為在HiQ量子云平臺基礎(chǔ)上推出了昆侖量子計算模擬一體機;微軟、亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)巨頭也相繼推出量子云平臺。
量子計算云平臺具有兩大優(yōu)勢，一方面用戶可以在云端的量子處理器上運行自定義的各種量子線路代碼，不僅能用于了解處理器的性能、技術(shù)瓶頸等重要特性，還將幫助到下一代處理器開發(fā)，為優(yōu)化應(yīng)用積累經(jīng)驗;另一方面，通過經(jīng)典計算機模擬量子芯片的工作原理和運行邏輯，可以率先進行量子算法和軟件的開發(fā)、驗證。
專用量子計算曙光初現(xiàn)，通用量子計算任重道遠
相比經(jīng)典計算機，量子計算具有指數(shù)量級的運算能力，在解決諸如新一代信息技術(shù)和人工智能所帶來的龐大數(shù)據(jù)處理問題時，擁有經(jīng)典計算無法比擬的巨大信息攜帶和超強并行處理能力。當前階段，量子計算的主要應(yīng)用目標是解決大規(guī)模數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和特定計算困難問題。
產(chǎn)業(yè)層面，量子計算已經(jīng)形成了政府、企業(yè)和學術(shù)機構(gòu)協(xié)同合作的發(fā)展格局，并在容錯量子和演示量子方面均取得了里程碑式的進展，但離實用化仍有較大距離。雖然D-Wave和IBM都已經(jīng)宣稱擁有可商用量子計算機，但距離量子計算的真正商業(yè)化落地還相當遙遠。
量子計算機的發(fā)展要經(jīng)歷三個階段，第一個就是量子霸權(quán)。第二階段是實用化量子模擬機，能被運用到機器學習、藥物開發(fā)等領(lǐng)域。第三階段，量子計算機達到通用可編程水平，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實現(xiàn)可容錯的量子計算機。
從最終實用化階段來看，量子模擬器和通用量子計算機在分子結(jié)構(gòu)解析、人工智能、大數(shù)據(jù)處理、密碼技術(shù)方面的顛覆性影響，將成為量子計算的長遠發(fā)展目標，并有望應(yīng)用于能源化工、生物科技、航空航天、信息通信、大數(shù)據(jù)、云計算等商業(yè)領(lǐng)域。
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