量子计算：国内外最新概况与进展

1）量子革命

现在我们谈论量子计算或量子信息的时候，更多的会提到第二次量子革命。一般认为第一次量子革命是基于量子力学效应的信息技术，操控和利用的是宏观的量子行为。原子能、激光、晶体管、半导体器件、核磁共振等诸多应用的问世，其实都是基于量子力学原理，可以认为这是第一次量子革命给人类生活带来的变化。那么我们讨论的第二次量子革命，更多的是定位于它是操控量子体系的微观量子行为，比如对单个电子、单个光子或单个原子的微观量子行为的操控。所谓量子信息技术恰恰就是利用量子体系的叠加、纠缠等量子力学行为，以不同于以往的操控方式进行信息的获取、存储、处理和传输。

2）量子计算机的发展历程

回顾21世纪前量子计算机的发展历程，1982年，费曼最早提出了量子计算机的概念；1985年，Deutsch-Jozsa对通用量子计算机进行了详细描述并在1992年提出了D-J量子算法；1994年，Peter Shor提出了用于大数因式分解的RSA加密破解算法；1996年，Grover提出了一种大数据的量子搜索算法；1998年，Bernhard Omer提出了量子计算编程语言，同年，MIT和LANL利用液态核磁共振实现了量子计算。21世纪初，加拿大的D-Wave公司于2007年推出了世界上首台商用的量子退火机，2013年，他们又发布了一台512位的量子计算设备，当然，学术界认为这还不是真正意义上的量子计算机。IBM公司于2016年发布了6个量子比特的可编程量子计算机并在2017年宣称他们成功研制了一款50个量子比特的量子计算原型机，但我们并没有看到实物和相应的论文。2018年，Intel公司称其研制了一个49位的超导量子芯片。2018年末，本源量子发布了国内首款量子计算控制系统。一个比较轰动性的事件是，在2019年10月，谷歌公司发表科学论文展示了一个53位的量子芯片，宣称实现了“量子霸权”。2020年6月，霍尼韦尔发布新闻称，在离子阱系统上获得了一个量子体积为64的量子计算机。

3）量子计算机的物理体系

目前关于量子计算机的研究有多种方案同时在探索，包括超导、半导体量子点、离子阱、光学、量子拓扑等不同技术体系。实际上，技术路线并没有完全收敛，国内外不同的研究团队甚至很多企业，包括国际巨头和初创公司都已投入到量子计算机的研究中。但是目前经常有人问到一个问题，就是我们到底应该做一个什么样的量子计算机，或者一个什么样的物理体系更适合做量子计算机？关于这个问题，目前还没有人有确切的把握，认定哪个物理体系就一定可以最终实现量子计算机，所以说这是一个技术路线还没有收敛的发展阶段。目前还是量子计算发展的非常早期/初期的阶段，当然前提是指我们现在讨论的通用量子计算机。像D-Wave做的量子退火机，或者专用于做某项特定任务的系统，不在我们现在讨论的通用量子计算机范围内。

4）量子计算的定义与优势

那么什么叫量子计算机？我们讨论的通用量子计算机究竟是怎么定义的？可以与传统的计算机进行类比，传统的计算机是以经典比特作为基本单元，利用欧姆定律或者高低电阻/高低电平的过程来实现信息的表达，利用集成的晶体管获得CPU，最终加上外围的硬件和软件系统构成经典计算机。量子计算机是以量子比特作为基本单元，运算的过程利用量子力学原理，特别是利用量子态的叠加性来构成一个基本比特。通过QCPU实现多个比特的集成，再加上外围的硬件、操作系统和软件，构成量子计算机。

经典计算机的基本单元比特对应于晶体管，但是随着摩尔定律的发展，晶体管开/关（导通/截止），或者0和1的表达，已经越来越难以区分。因为量子尺寸效应和量子隧穿效应会使晶体管开/关越来越难以处理。近二三十年来，主要通过不停地迭代各种技术来延续欧姆定律的有效性，通过压制和克服量子隧穿效应来区分0和1这两种状态。量子计算则是从另一个角度来考虑这个问题。索性就利用量子的特性，把晶体管里载流子集体流动的行为变成用单个载流子的量子特性直接进行信息的编码，而不一定要用载流子集体的行为（比如导通/截止、高/低电阻这种状态），从抑制量子效应变成开发和利用量子效应，从基层的角度进行思路的转变。这样，当我们倒过来利用单个载流子的量子行为进行信息的0/1编码时，正好可以对应到量子信息里量子计算的要求，根据并行性，n个量子比特可以表示一个2n维矢量。根据叠加性，n个量子位可以同时对2n个不同的数进行叠加，在空间内进行存储和运算，因此可以对特定问题实现指数加速。(www.xing528.com)

目前来说，各种量子算法，包括我们前面提到的Shor算法、Grover算法，实际上是寻找在有量子叠加特性的情况下，什么问题具有加速作用，有的问题有指数加速，有的问题有平方根加速，不同的问题有不同的加速效应。从另一个角度来讲，我们所说的很多物理过程或化学过程，最终回到原子或分子层面，实际上就是一个量子态的演化过程。利用量子计算的过程，天然就是一个量子态的演化。那么量子计算或者一个特定构造的量子处理器，对于特定问题的处理，是不是可以进行更好的模拟。这是量子计算可能展现的一种优势，也是吸引越来越多研究者投入的基本原因。

量子计算到底离我们还有多远，这个问题总是反复地被问到，其实这个问题我们依然只能说，在连哪个物理体系都不能确定的情况下，这个问题还很难回答。

5）量子计算企业版图

我们可以看一下目前世界各国对于量子计算的支撑情况。欧盟、美国以及我国对此都有国家层面的政策支持和很大的资金投入，国内外有超过100家公司在做量子计算，除了国外的Intel、IBM、谷歌、微软，国内的阿里、腾讯、百度外，华为也开始投入，也有很多初创型企业在各方的支持下也在做这件事情，如日本的NTT、NEC、Fujitsu等公司。

6）巨头企业最新技术成果

下面聚焦在量子计算方面的最新的现象级进展。2019年1月，IBM公开发布了“全球首款商用量子计算机原型机”（第四代20量子比特）。10月份，谷歌宣称在全球首次实现“量子霸权”，对于同一个问题的处理，利用量子计算机可能只需要200秒，而传统计算机至少需要3天。11月份，微软宣布其“拓扑量子比特”产生新的量子算法，可以把某些特定问题的计算时间从3万年缩短到1.5天。当然这些更多的只是一个宣称，我们并没有看到具体的论文或是更多的信息。12月份，Intel发布了一个低温量子控制芯片，可以同时控制128个量子比特。2020年6月，霍尼韦尔发布了64个量子体积的离子阱量子计算机，宣称“世界最快”。但量子体积是不是衡量一个量子计算机性能的好的标准，这一点目前也没有得到大家的广泛认可。除了巨头们，国外的初创型企业的布局也比较早并且发展迅速，特别是从超导到半导体到离子阱技术，都有布局。

7）量子计算机商用预测

整体来看，量子计算机目前处于什么样的阶段呢？第一阶段我们认为在2010—2020年间已经完成，标志性成果是量子计算原型机、量子退火机实现量子霸权，商用起步并面向特定用户销售。第二阶段就是2020—2030年，在各种各样的噪声依然很强甚至没有纠错编码的情况下，研究含噪声中型量子（NISQ）计算机。前面的量子霸权实际上是量子随机线路的模拟过程或者某一个数学上的问题，并不直接对应到某一个实际应用的问题。未来十年对于特定的问题，是否能够有专用的量子计算机诞生，我们认为这将是第二阶段的起步。第三阶段也就是未来最终想实现的具有广泛商业化应用场景的通用量子计算机，一个比较粗略的预测是在21世纪中叶可以实现具有普适性的量子计算机。