量子计算研究进展：中美两国有4~5年的技术差距

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整理|姜宝尚

2019年是量子计算占据热门新闻版面的一年。从1月份ibm宣布世界上第一个商业量子计算原型到9月份谷歌宣布它在世界上第一次实现了“量子霸权”。

今年将是量子计算史上的一个里程碑，因为这意味着量子计算的时代将会到来。

量子计算离我们有多远？实现大规模商业化需要多长时间？当前的技术处于什么时代？
今天，中国计算机联合会青年计算机科学与技术论坛(ccf)在ccf总部交流委员、总部学术秘书侯仁、北京交通大学陶耀东、ccf总部交流委员、北京交通大学计算机与信息技术学院王伟在线论坛的主持下，围绕这一主题，合肥本元量子计算技术有限公司的张辉博士作了演讲腾讯量子实验室的郑博士说:“要实现量子计算，我们还需要做什么呢？”清华大学终身副教授kihwan kim发表了“用俘获离子进行量子计算”的报告。

此外，中山大学数据科学与计算机科学学院的李绿舟教授和国防科技大学的强小刚博士也作为特邀嘉宾发表了演讲。天津工业大学教授罗迅和人民邮电出版社高级策划编辑何瑞军担任网上主席。

由于文章篇幅有限，《人工智能科技评论》对《量子计算机的发展概况和应用前景》报告进行了整理，并对另外两份报告进行了整理。请继续关注人工智能科技评论~

张辉:博士，中国科技大学。2003年毕业于中国科技大学，获理学学士学位；2008年6月获得中国科学院量子信息重点实验室博士学位，师从中国量子信息创始人郭广灿院士。在研究期间，他的主要研究兴趣是低温半导体电子输运的实验研究和双量子点中量子信息的理论研究。他现任合肥本元量子计算技术有限公司副总裁，负责公司的运营和规划。

在报告中，张辉提到量子计算机和经典计算机并不是不兼容的。中国和美国在量子计算方面至少有4到5年的差距，但它们并不处于“卡脖子”状态....

(雷锋。(公开号码:雷锋。com))

量子力学已经有一百多年的历史了。目前，量子信息技术有很多，包括原子能、激光、超导、晶体管、半导体等等。许多技术已经被应用到量子力学效应的状态。

历史上有两次量子革命。第一个主要是宏观量子行为，第二个主要是微观量子技术系统。我们目前的努力也集中在微观系统上。

这两次革命都表明量子不是一个非常神秘的东西，而是一门非常严谨的科学。量子计算是以量子力学和计算机为基础的交叉学科，是一门崭新的学科。

(雷锋网)

自20世纪80年代以来，欧美科学家提出了量子计算机的概念。经过几十年的发展，已经出现了一些算法，包括破解密码算法、搜索算法等。这些理论构建了一个完整的量子计算系统。

(雷锋网)

在21世纪，研究的重点是将理论研究带出实验室。最近，可以看到许多惊人的消息，这些都是迹象。

不可否认，量子计算仍处于发展的早期阶段。与经典计算机相比，今天的量子计算机仍处于经典计算机的电子管时代，甚至最低的物理载体也尚未完全形成。

目前，定义量子计算的五个指标，包括编译模式、相干时间、操作、时间、输入/输出、未来可伸缩性等参数，都不是完美的物理系统。

有许多量子计算系统，每一个都有它自己的优点和缺点，例如离子阱。它的优点是量子位质量高、相干时间长、量子位制备和读出效率高，缺点是存储量少、去相干、可扩展性差、难以小型化等。

注:相干时间是指在量子效应保证的时间内运行量子效应的时间。时间越长越好。

在光学系统中，它的优点包括相干时间长、操作简单和扩展性好。缺点是两个量子位之间的逻辑门很难操作。

还有拓扑结构，其优点包括对环境干扰、噪声和杂质有很强的抵抗力，但它仍处于理论水平，还没有器件实现。

在学术界和工业界，尽管在各种方案的研究方面取得了一些进展，但技术路线的趋同尚未实现。目前，最快最好的技术是超导电路。

这有两个原因。首先，人类希望借助非常先进的技术来促进发展，包括半导体集成、电路技术和工艺。

第二个原因是它具有很强的可伸缩性。固态器件和电学方向可以使未来的量子计算与经典计算机兼容和集成。谷歌、ibm、英特尔和其他公司都专注于超导或半导体。

相比之下，经典的计算机是在一个宏系统上编译的，这个宏系统主要用高电压和低电压来表示0和1。量子计算机的未来建立在原子或电子的微观系统上。例如，0和1由电子编译，0和1由上下电子的自旋状态表示。随着计算机的发展，晶体管变得越来越小，技术已经发展到7纳米和5纳米，有些人甚至说有必要达到3纳米。最困难的问题是晶体管的尺寸越来越小，中间的势垒越来越薄。当它是5纳米时，只有几十个原子。(3毫米，会有十几个。)

在微观系统下，电子会产生量子隧穿效应，不能准确表示0和1。电子不能精确地定义高电压和低电压，并且会来回运行，这就是为什么摩尔定律通常会碰壁。

解决办法是改变材料，例如，现在用土壤代替塑料。改用塑料会使屏障越来越坚固。然而，无论使用什么材料，都不可能在微观系统和原子水平上防止电子隧穿效应。现在科学家们要么尽力避免量子效应，要么简单地使用量子力学。

量子计算机有两个最大的优点。第一，它可以给海量数据的并行计算(性能)带来指数级的提高。这一强大的功能可用于金融、数据搜索和处理等领域。第二个优点是量子计算是在电子原子上编译的，这在模拟中将是非常自然的，例如在生物医学中新材料的发现和药物合成。

事实上，量子计算的发展是最近两三年的事情。欧洲、亚洲、北美和澳大利亚的一些发达国家几乎都涉及到量子计算的方向，许多国家已经上升到国家层面。例如，美国已经将量子计算提升到阿波罗登月计划的高度。

从企业角度来看，相对较大的it公司，如谷歌、ibm、微软和英特尔，以及中国的腾讯、阿里巴巴、百度和华为，几乎都涉及量子计算，世界上已经有数百家量子计算初创企业，发展非常迅速，并取得了很好的效果。

量子计算机可以和经典的电子计算机相比。量子芯片对应于中央处理器，量子测量和控制系统对应于计算机主板。
将来会有很多量子软件，包括操作系统，包括底层的汇编语言和操作指令，包括基于这些汇编语言开发的量子应用软件算法。

2019年是量子计算发展的亮点。谷歌的量子霸权可以与当年人工智能的阿尔法狗相提并论。正是因为人工智能在围棋中战胜了人类，人工智能才把人工智能推向了一定的发展高度。

专家认为，谷歌的量子霸权完全有可能点燃量子计算的热潮。2019年初，ibm推出了一款20位量子计算原型，已经售出。2019年底，谷歌的量子霸权只用一个53位的特殊量子芯片解决了一个数学问题。

在专利方面也取得了许多进展，加拿大d-wave公司批准了300多项专利，ibm公司批准了235项，微软公司批准了212项，而作为中国唯一一家上市企业，金源量子公司批准了36项。

从量子计算的角度来看，中美之间至少还有4~5年的差距。但现状比经典电脑好得多，至少它不会被卡住脖子。

(量子计算机)商业预测可以分为三个阶段，第一阶段已经完成。在开发量子计算原型的层面上，谷歌提出的量子霸权是一个里程碑式的事件。

第二阶段是接下来的十年，重点是寻找特殊用途的芯片，并用它们来解决特定行业的问题。

在第三阶段，将需要十多年时间来实现通用量子计算机。波士顿咨询公司预测，到2030年，市场需求保守估计为21亿美元，乐观估计为600亿美元，到2050年可能达到2600-3000亿美元。

有了经典计算机发展的经验，量子计算机的历史趋势将会加速。过去，许多人致力于工业和商业应用，包括一些量子计算的工业联盟，如ibm q网络和阿基。

产业联盟的意义在于(量子计算机)需要与产业发生碰撞，从而找出特定产业中存在的问题或困难，然后利用量子计算机来帮助解决它们。

随着产业联盟的建立，量子计算在过去的一两年里发展迅速，并且有许多实际的探索案例。例如，量子计算和人工智能可以大大提高机器学习的效率，设计许多算法来解决实际问题。

在智能交通的方向上，可以从理论上研究路径优化算法。具体案例包括德国的谷歌和大众。2019年，这些公司根据算法和交通数据，使用量子计算控制了9辆汽车。

九辆汽车可能被经典计算机解决，但这标志着一个验证，这意味着量子计算可以用一个非常简单的模型控制汽车。随着芯片位数的增加，它能控制的汽车数量将很容易呈指数级增长。

量子计算加上金融也可以用来解决金融领域的困难和问题。摩根大通和ibm共同研究了衍生品定价和二次加速量子算法。许多银行也对这些算法非常感兴趣，并且实际上正在与量子计算公司合作。

量子计算和生物医学的结合也很有吸引力。在过去的一段时间里，许多公司或机构与医院合作，并产生了许多算法，包括如何模拟分子和原子。

然而，由于芯片的发展，只能模拟氢分子。然而，随着芯片中位数的增加，将来会有更多的分子原子被模拟出来。还有复杂药物的合成。量子计算的自然性非常适合模拟，可以缩短研发时间，带来巨大的价值。

在航空航天领域，用现有的经典计算机很难模拟飞机气流的某些变化。量子计算机有许多优点。世界上一些飞机制造商，或者一些军工企业，已经开始使用量子计算来模拟和研究飞机机翼设计、空空气动力学等等。

量子计算的整个产业链，包括上游、中游和下游，将带动许多行业和企业发展，而上游需要大量硅片、靶材、耗材和特殊光刻胶。在中游有大量的应用场景，包括人工智能和智能交通。当然，下游是由大型企业向企业用户使用的终端。

量子计算就像一个洞穴。我们不知道山洞里是否有宝藏或其他东西。西方的一些发达国家正在涌入，中国没有理由不进去。量子计算看起来像什么，它是什么样的形式，它能被制造出来吗？我们坚信量子计算将在未来进入人类的现实生活。