今天，小編邀請了中國信息通信研究院的專家來談談量子計算的發(fā)展現(xiàn)狀以及我國量子計算的發(fā)展水平。

隨著人類社會對信息處理的需求越來越高，基于半導體大規(guī)模集成電路的經典計算面臨性能提升瓶頸，無法突破量子效應的挑戰(zhàn)。量子計算是量子力學與計算機科學相結合的一種新型計算方法。它以微觀粒子組成的量子比特為基本單位。它具有量子疊加、糾纏和相干性質。它通過量子態(tài)的受控演化來實現(xiàn)信息編碼和計算存儲。擁有經典計算技術無法比擬的巨大信息承載能力和超強并行計算處理能力。隨著量子比特數(shù)量的增加，其計算和存儲能力將呈指數(shù)級擴展。

（一）量子計算關鍵技術仍需突破

量子計算理論創(chuàng)立于20世紀80年代。經過初步的理論研究和實驗探索，在物理實現(xiàn)、量子編碼、量子算法和計算模型等方面取得了大量的研究成果。目前，量子計算整體仍處于基礎理論研究和原型產品開發(fā)驗證階段，許多關鍵技術仍需突破。

物理實現(xiàn)解決方案的競爭非常激烈，超導系統(tǒng)相對領先。尋找相干時間長、易于集成、可擴展的物理硬件系統(tǒng)是實現(xiàn)量子計算的基礎和關鍵。目前量子計算的物理實現(xiàn)包括超導、離子陷阱、半導體、金剛石空位、光、核磁共振、冷原子等不同的技術路線，每種路線都有各自的優(yōu)缺點。就目前的實驗控制技術水平而言，超導和離子阱系統(tǒng)處于領先地位。尤其是超導系統(tǒng)勢頭強勁，受到IBM、谷歌等科技巨頭的青睞。早期，IBM物理學家提出了實現(xiàn)量子計算機物理系統(tǒng)必須滿足的幾個DiVincenzo標準，例如具有良好特性的可擴展量子位系統(tǒng)、將量子位準備到某種基態(tài)的能力以及足夠長的相干時間完成量子邏輯門操作、實現(xiàn)一套通用量子邏輯門的能力、測量量子比特的能力等。然而，目前還沒有系統(tǒng)能夠同時滿足所有的實驗標準。一些專家預測，未來的量子計算機可能基于混合系統(tǒng)。

量子編碼是實現(xiàn)大規(guī)模量子計算機的基礎，但成本仍然較高。量子編碼以消耗更多量子比特資源為代價克服了退相干效應。由于量子態(tài)具有不可克隆、不可測量、誤差自由度大等特點，量子編碼的實現(xiàn)比經典編碼更為復雜。 1995年，Shor構造了第一個量子糾錯碼，即9位碼，現(xiàn)在已經發(fā)展到7位和5位碼，即用7或5個物理位來編碼一個邏輯位。不同的糾錯方法對應不同的容錯閾值。一般來說，門檻越低，需要的量子比特資源就越多。

量子算法數(shù)量有限，核心算法創(chuàng)新難度大。 20世紀90年代中期，美國科學家提出了可應用于公鑰密碼系統(tǒng)的量子肖爾大數(shù)分解算法和可應用于數(shù)據(jù)庫搜索的量子格羅弗算法，極大地激發(fā)了量子計算的研究熱情。這兩類算法已經成為構建其他量子算法的重要基礎。但由于量子計算特殊的運行模式，經典算法的設計思想無法直接移植，目前可用的量子工具還很少。具有核心功能的量子算法相對稀缺，無法在處理所有問題上發(fā)揮優(yōu)勢。適用范圍有限。

量子計算模型和架構都不同于經典計算。量子計算數(shù)學模型的基礎是20 世紀80 年代定義的量子圖靈機。目前，量子電路模型是主流方向，量子絕熱和拓撲模型也是研究熱點。同時，由于量子態(tài)疊加、糾纏、不可復制、相干存儲時間短等特點，通用量子計算機的架構會與經典計算機有所不同，設計也會更加復雜，目前技術選型尚不清楚。

（二）科技巨頭競相布局，初創(chuàng)企業(yè)快速發(fā)展

歐美等發(fā)達國家政府和科技產業(yè)巨頭投入巨資開展量子計算技術研究，取得了一系列重要成果，確立了領先優(yōu)勢。以美國加州大學、馬里蘭大學、荷蘭代爾夫特理工大學、英國牛津大學等為代表的研究機構，基于超導、離子阱和半導體。量子芯片的計算能力通常用糾纏量子比特的數(shù)量來表征。隨著量子比特數(shù)量的增加，量子糾纏的準備和操縱將變得更加困難。美國科技產業(yè)巨頭開始大舉進軍量子計算研究領域，成為加速量子計算機研發(fā)并走向實際應用的重要力量。谷歌與加州大學合作開發(fā)超導量子計算。 2016年，報道了9位超導量子位的高精度控制，并從初創(chuàng)公司D-Wave購買了量子退火機，探索人工智能領域。微軟正在布局基于任意子方案的拓撲量子計算，并重點關注模擬器等軟件領域的同步開發(fā)。英特爾正在同時開發(fā)半導體和超導解決方案。 2017年10月，報道了17量子位的超導芯片。 IBM于2016年推出了全球首個量子計算云平臺，目前IBM Q處理器已升級至16/17量子位。 2017年11月，它宣布實現(xiàn)了基于超導解決方案的20量子位量子計算機。此外，以D-Wave、IonQ、RigettiComputing、1QBit為代表的初創(chuàng)企業(yè)發(fā)展迅速，各具特色，涵蓋硬件、軟件、云平臺等，其中大多數(shù)公司在美國。

近年來，我國開始加大重視并積極推進，在科研布局、企業(yè)投入等方面取得了一定的成果。以中國科學技術大學、浙江大學、清華大學為代表的研究機構在量子計算原理實驗和樣機研制方面取得了一定的研究成果。 2017年，中國科學技術大學與浙江大學聯(lián)合宣布，基于超導量子計算方案實現(xiàn)了10個量子比特的糾纏控制。同年，中國科學技術大學也報告了基于玻色子采樣的光量子計算機的研究成果。在產業(yè)布局方面，阿里巴巴于2015年聯(lián)手中科院成立中科院-阿里巴巴量子計算實驗室。此外，騰訊也在籌建量子實驗室。 2017年9月，中國科學技術大學成立了國內首家量子計算初創(chuàng)企業(yè)——合肥本源量子計算技術有限公司，計劃開展量子計算芯片、測控系統(tǒng)的研發(fā)、軟件等方面。 2017年10月，清華大學、阿里巴巴、本源量子分別發(fā)布了基于不同物理系統(tǒng)的量子計算云平臺?？傮w來看，我國雖然在量子計算領域取得了一定成果，但在投入強度、團隊數(shù)量、創(chuàng)新成果、項目類型和指標等方面仍落后于美國。

（三）量子計算的發(fā)展雖然充滿困難，但前景廣闊

量子計算的發(fā)展面臨技術、模型、資金等多重挑戰(zhàn)。技術挑戰(zhàn)是當前量子計算發(fā)展面臨的最嚴峻的問題。實現(xiàn)量子計算最困難的部分是量子系統(tǒng)的脆弱性。如何克服退相干帶來的一系列困難，提高量子系統(tǒng)的可靠性和可擴展性存在挑戰(zhàn)。其次，量子計算是一門交叉學科，需要充分了解量子力學、計算機科學等基礎理論。因此，需要多領域學者、專家的通力合作。需要加強不同學科、機構之間的合作與交流。最后，量子計算需要高水平的資本投入和可持續(xù)性，需要長期探索。

量子計算發(fā)展迅速，前景廣闊。目前，量子計算的發(fā)展正處于技術理論驗證和原理樣機研發(fā)的關鍵階段?？尚行圆粩嘣鰪姡夹g競賽方案日益明確，后續(xù)應用研發(fā)將進一步加速。預計專用量子計算機可能最先得到應用。與經典計算相比，從發(fā)展定位來看，量子計算目前只能解決一些經典計算無法或難以解決的問題。它在解決所有問題上并不優(yōu)于經典計算，量子計算機的復雜控制仍然需要經典計算機的協(xié)助。量子計算在未來很長一段時間內都無法完全取代經典計算，兩者會相輔相成。盡管目前量子計算規(guī)模還較小，但增長迅速，前景廣闊。其發(fā)展和應用將對基礎科學研究、新材料和生物制藥、人工智能等諸多領域產生深遠影響。

現(xiàn)代科技的發(fā)展速度總是超出人們的想象，科技發(fā)展的方向也將人們的生活帶到了一個新的水平。在今年的CES展會上，英特爾公布了自己的研究成果，一款49量子位的量子芯片。隨后在3 月份，谷歌發(fā)布了一款72 量子位的量子芯片，并展示了它可以用于實際應用。 5 阿里巴巴達摩院也不甘示弱，于4 月推出了自己的量子電路模擬器太章。一時間，量子計算概念進入公眾視野，成為熱門話題。

量子計算

什么是量子計算？根據(jù)維基百科的說法，基于量子力學現(xiàn)象的計算就是量子計算。談到量子計算，就不能回避兩點，疊加和糾纏。與傳統(tǒng)計算機基于晶體管的二進制不同，傳統(tǒng)計算機的二進制數(shù)在某種狀態(tài)下總是0或1，而量子計算使用量子比特，沒有固定的狀態(tài)。我們可以借用一個著名的實驗薛定諤的貓來描述這種現(xiàn)象。

薛定諤的貓（圖片來自%E8%96%9B%E5%AE%9A%E8%B0%94%E7%9A%84%E7%8C%AB/554903?sefr=cr）

將一只貓和與有毒氣體有關的放射性物質放入盒子中。盒子里的放射性物質有50%的幾率會衰變并釋放出毒氣殺死貓，但也有幾率不衰變而貓會活下來。在不打開盒子的情況下，從傳統(tǒng)計算機的角度來看，貓要么死，要么活，而且一定是兩者之一。但從量子計算的角度來看，貓既可以是死的，也可以是活的，處于兩者的混合狀態(tài)。這是一種疊加態(tài)。

量子糾纏

量子糾纏實際上是處于疊加態(tài)的兩個粒子相互作用的現(xiàn)象。值得注意的是，兩個粒子在空間上可能相距很遠，但一旦測量到兩個粒子中的一個，糾纏一方的狀態(tài)也將被確定。

傳統(tǒng)計算機的基本單位比特，有確定的狀態(tài)，要么0，要么1，而量子計算的基本單位是量子位，即量子位，可以同時存在0和1兩種狀態(tài)。如果有4位，那么傳統(tǒng)計算機只能存儲2^4中的一位。如果它有4 個量子位，則可以存儲2^4 條信息。計算能力呈指數(shù)級增長，計算能力與傳統(tǒng)計算器相當。進行2^4次運算，效率會大大提高。

得益于量子疊加和糾纏，量子計算能夠保持并行運算的超高速度，能夠保證大規(guī)模數(shù)據(jù)結果運算的高效完成。但需要注意的是，如果沒有相應的量子算法，量子計算機的威力很難完全發(fā)揮出來，只能對部分算法進行加速。因此，傳統(tǒng)計算機和量子計算機是一種互補的關系，而不僅僅是新技術完全取代傳統(tǒng)技術。的過程.

早在2016年5月4日，IBM就發(fā)布了量子計算服務。用戶可以通過云端連接IBM量子計算機進行實驗和模擬。量子計算作為一項革命性技術，越來越受到人們的關注。微軟和谷歌都投入了自己的研發(fā)力量，量子計算的實際應用正一步步離我們越來越近。

數(shù)據(jù)計算

說到應用，量子計算機的核心功能自然是數(shù)據(jù)計算和超高運行計算能力，這是很多行業(yè)的必備。例如，今年流行的人工智能方向利用深度學習不斷改進算法，直到產品滿足人們的智能化需求。在這個過程中，機器學習的成本往往是巨大的。因此，很多人工智能只能響應某個領域的某些關鍵詞，很難滿足人們復雜的場景應用。自然，他們會被稱為人工智能阻滯者。但如果利用量子計算機的高速計算，機器學習的成本將大大降低，人工智能的應用場景也將更加豐富。事實上，這不僅僅是人工智能。量子計算在大數(shù)據(jù)分析、智慧城市、金融模型等方面具有巨大潛力。

信息安全依賴算法加密

如今各種密碼的安全性依賴于各種加密算法技術，但對于量子計算機來說，可以通過特定算法輕松實現(xiàn)高速并行化?；诹孔蛹m纏的特性，在通信過程中，如果有人想要竊聽通信內容并測量量子，另一端的量子必然會感知到，從而終止機密信息的傳輸，商業(yè)秘密就可以被竊取。得到充分保護。

量子技術的發(fā)展自然是未來的一個主要方向，但我們仍然需要看到其中的問題。首先，量子計算有更嚴格的要求，需要在極低的溫度環(huán)境下工作；二是量子相關技術研究存在瓶頸。比如如何創(chuàng)造純糾纏態(tài)來克服量子通信的信息失真；第三是量子計算帶來的變化，比如密碼學的革命性變化，傳統(tǒng)加密技術、產業(yè)、個人信息安全往哪兒走，量子計算如何防范攻擊。四是各國量子計算技術研發(fā)水平的差異，誰制定標準，量子霸權的出現(xiàn)。這些是我們需要知道的。

量子計算技術必將到來并給我們的生活帶來巨大的改變，但目前還處于發(fā)展階段。因此，沒有必要過度炒作?？隙夹g的價值，合理規(guī)劃研究。這是一個企業(yè)乃至一個國家保持創(chuàng)新和競爭活力的關鍵。更何況，量子計算距離改變生活已經不遠了。