基于量子計算的量子計算機成為眾多公司的終極目標，但是距離目標實(shí)現還很遠，目前各方都還在規?；販y試量子計算的可行性。

　　量子計算領(lǐng)域的裝備競賽愈演愈烈。

　　近日，華為發(fā)布了量子計算模擬器 HiQ 云服務(wù)平臺，包括量子計算模擬器與基于模擬器開(kāi)發(fā)的量子編程框架。

　　其他科技巨頭們也紛紛亮出成果。今年 5 月，阿里巴巴達摩院量子實(shí)驗室就推出了量子模擬器“太章”，在隨后的云棲大會(huì )上，阿里巴巴宣布已著(zhù)手量子計算系統和超導量子芯片的研發(fā)。在今年 3 月，百度宣布成立量子計算研究所。而谷歌、微軟、英特爾、IBM 等國外公司也早已在量子計算領(lǐng)域擁有一方勢力。

　　量子計算之所以如此重要，是因為其一方面可以解決經(jīng)典計算機算力不足的問(wèn)題，另一方面也可以減少能耗。

　　華為量子計算軟件與算法首席科學(xué)家翁文康接受 21 世紀經(jīng)濟報道記者專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)談道：“量子計算是一種革命性的計算方法，根據量子效應設計相應的算法，能夠解決一些復雜的計算問(wèn)題。而且這些問(wèn)題是目前的計算機做不到的。在經(jīng)典計算機的架構上，我們傳統上按照摩爾定律的思路，不斷地縮小器件工藝的尺寸，提高集成度去加速計算，但這個(gè)方法已經(jīng)到了瓶頸。”

　　承載著(zhù)經(jīng)典計算機算力指標的芯片目前已經(jīng)達到 5nm 的工藝，芯片上布滿(mǎn)百萬(wàn)量級的納米級晶體管。隨著(zhù)晶體管尺寸越來(lái)越小，運行過(guò)程中會(huì )出現兩大難題：第一是發(fā)熱嚴重，使得計算效率降低，需要降溫;第二是當晶體管尺寸減小到某一程度時(shí)，量子穿梭效應很容易出現，即無(wú)需電壓，電子也可以穿過(guò)晶體管，這意味著(zhù)晶體管無(wú)法控制電子的運動(dòng)，這也成為經(jīng)典計算機的一個(gè)瓶頸。

　　量子計算則可以利用量子比特(qubit)的疊加態(tài)、量子糾纏等特性來(lái)大幅度提升算力，人類(lèi)探索更高的智慧文明，也需要更高的算力。因此，基于量子計算的量子計算機成為眾多公司的終極目標，但是距離目標實(shí)現還很遠，目前各方都還在規?；販y試量子計算的可行性。

　　巨頭競逐量子計算

　　“過(guò)去量子計算主要在學(xué)術(shù)界發(fā)展，在最近三五年之間開(kāi)始慢慢有企業(yè)對此產(chǎn)生興趣。” 翁文康說(shuō)道，“在企業(yè)的推動(dòng)下，工程化有了快速的進(jìn)展，量子器件的性能得到大幅的提升。比如說(shuō)量子比特數，企業(yè)介入之前只有大概三到五個(gè)，到了今天已經(jīng)有大概五十到七十個(gè)比特，這是大幅的跳升。”

　　70 個(gè)量子比特的威力有多大?先來(lái)看經(jīng)典計算機中，采用的是二進(jìn)制，信息的最小單位是比特(bit)，一個(gè)比特代表“0”或者“1”;而量子比特是量子計算機中的最小信息單位，它的獨特之處在于還可以同時(shí)表達“0”和“1”，即兩種狀態(tài)可以同時(shí)存在。這就意味著(zhù)有N個(gè)量子比特時(shí)，計算速度是 2 的N次方，計算能力呈指數級增長(cháng)。2 的 70 次方就等于 1180591620717411303424 次，一秒內達到的運算速度就遠遠超出目前最強經(jīng)典計算機。

　　超強的算力也令巨頭垂涎。

　　以華為為例，最新發(fā)布的量子計算模擬器 HiQ 云平臺，其實(shí)是華為對量子計算領(lǐng)域基礎科研投入的第一步。翁文康向記者介紹道：“我們在軟件并行架構能力、云服務(wù)器的性能方面，是同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的，不但達到云平臺里面的指標是業(yè)界里面領(lǐng)先的，比如說(shuō)全振幅，42 個(gè)比特，單比特是 81 到 169 個(gè)比特，也有能力做到量子糾錯電路模擬。”

　　華為量子計算軟件與算法架構師、資深研究員張學(xué)倉進(jìn)一步向 21 世紀經(jīng)濟報道記者闡述道：“我們其實(shí)集成了好幾個(gè)模擬器，一個(gè)叫全振幅模擬器，我們全振幅的意思就是 2 的N次方所有的量子概率幅度都算出來(lái)，這在所有的模擬當中是最困難的，我們現在基于華為云用了幾百個(gè)節點(diǎn)，最大做到 42 量子比特，模擬器其實(shí)是屬于量子計算研究的中間產(chǎn)品，或者說(shuō)是一個(gè)量子計算研究初始階段的工具，它不是量子計算機，它不是未來(lái)最終量子計算機的一部分，因為它還是跑在經(jīng)典計算機上。”

　　而 HiQ 云平臺作為工具，可以加快量子計算領(lǐng)域軟硬件的開(kāi)發(fā)和研究，翁文康說(shuō)道：“雖然說(shuō)業(yè)界硬件有進(jìn)展，但還是面臨非常復雜的系統工程問(wèn)題。”

　　再看量子領(lǐng)域的其他玩家。國外公司技術(shù)積淀已久，IBM 在 2017 年就宣布成功研制 50 量子比特原型機，谷歌在今年宣布實(shí)現 72 個(gè)量子比特的原型機;英特爾在量子計算芯片上摩拳擦掌，在 2018 年 6 月宣布開(kāi)發(fā)出了新款量子芯片，并已在攝氏零下 273 度的極低溫度中進(jìn)行測試;微軟在 2005 年就已經(jīng)投入研究，2018 年的新計劃是在五年內造出第一臺擁有 100 個(gè)拓撲量子比特的量子計算機，并且將其整合到微軟云 Azure 當中。

　　國內科技企業(yè)也在加緊追趕研發(fā)。除了前述的華為，阿里巴巴也在招兵買(mǎi)馬，2015 年就成立了量子計算的相關(guān)實(shí)驗室，如今達摩院已經(jīng)開(kāi)始研究量子芯片;騰訊在 2017 年底啟動(dòng)了量子實(shí)驗室，百度的量子實(shí)驗室在 2018 年 3 月成立。

　　量子人工智能的“誘惑”

　　基于量子計算的神秘特性，其高效運算將在人工智能、醫療、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮作用。其中，人工智能和量子計算機的結合，是熱門(mén)的應用場(chǎng)景，也是科學(xué)界近年來(lái)探討較多的話(huà)題。

　　清華大學(xué)交叉信息研究院院長(cháng)、圖靈獎獲得者姚期智在近期的一場(chǎng)演講中就說(shuō)道：“量子計算機之所以有很大的力量，一個(gè)原因是在原子上，量子物理能把經(jīng)典數據進(jìn)行指數級的壓縮，達到計算結果，如果用普通計算機沒(méi)法達到。(數據)指數級地在時(shí)間上的加速，空間上的壓縮，這是一個(gè)很大的誘惑。”

　　在翁文康看來(lái)，量子計算和人工智能的結合比較自然。“我們可以利用量子計算去加速人工智能的應用。也有另外一個(gè)方向，就是利用機器學(xué)習的方法去解決量子信息、量子計算里面的問(wèn)題，這兩方面現在學(xué)術(shù)界里面都屬于量子人工智能。有非常多的進(jìn)展在這兩年爆發(fā)，量子人工智能是比較令人鼓舞的。”

　　他進(jìn)一步說(shuō)道：“雖然在我們還沒(méi)有研制出通用的量子計算機，短時(shí)間以?xún)葮I(yè)界做的計算機可能量子比特的數目不多，但是它在某些方面已經(jīng)超越了超算的能力。但是，人工智能很多應用，其實(shí)并不需要完美，結果是一個(gè)概率，可能到百分之八九十的準確性已經(jīng)有很大的應用價(jià)值。我們利用量子計算機，可以發(fā)揮很大的作用，這是在學(xué)術(shù)界里面非常熱門(mén)的課題。”

　　人工智能的三大要素分別是算力、算法和數據。而量子計算機在運算速度、處理數據的能力上相比經(jīng)典計算機優(yōu)越得多，運算速度指數級的增長(cháng)無(wú)疑解決了現在 AI 算力缺乏的現狀。

　　量子算法是不是能夠讓人工智能算法更上一層樓?這成為了科技界的重要問(wèn)題。為此，NASA 和谷歌就聯(lián)合成立了人工智能實(shí)驗室，微軟也有量子人工智能研究小組，清華大學(xué)交叉信息研究院也包含了量子人工智能的研究。

　　不過(guò)，張學(xué)倉也表示：“量子計算是一場(chǎng)從根上開(kāi)始的革命，也就是說(shuō)它從量子的芯片，芯片的控制系統到整個(gè)量子計算機工程化的系統，到最上面的軟件和算法，都需要很大的努力，都存在很多挑戰。但是最大的挑戰是怎么做芯片，一個(gè)是把芯片比特數做大，精度做得很高;另外一個(gè)針對不同的應用開(kāi)發(fā)更多的算法，因為算法非常難理解。”

　　他還表示，量子計算機從硬件到軟件到算法都需要提升核心技術(shù)。整體來(lái)說(shuō)還沒(méi)有到可以商業(yè)化的階段，還有很多的問(wèn)題需要解決，但是我們已經(jīng)看到希望，在三到五年之內專(zhuān)用的量子計算機在其擅長(cháng)的領(lǐng)域真的可以解決一些現在超算都解決不了的問(wèn)題。
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