本文经AI新媒体量子比特（公众号ID：QbitAI）授权转载，转载请联系出处。量子计算是否有望在10-15年内取得重大进展，走出实验室，真正应用于解决实际问题？目前，量子计算机领域的主要玩家仍然是谷歌、IBM、麻省理工等美国科技巨头。中国量子计算研究水平在世界上处于什么地位？3月28日，中国计算机学会青年计算机科技论坛（YOCSEF）举办了“量子计算机离我们有多远”在线研讨会。带着这些问题，我们与中国量子计算领域最权威的科学家和商界领袖一起探讨了这个当下的热点话题。真正可靠的量子计算机会是什么样子？2019年10月底，谷歌宣布其名为Sycamore的芯片成功实现了“量子优势”，即完成了传统计算机几乎不可能完成的任务，展示了量子计算机的能力。△谷歌Sycamore量子芯片计算机的“优势”二字，让人觉得量子计算似乎可以替代传统计算机，但IBM对谷歌的成果不以为然。他们认为，Google的Sycamore是“摆拍”。首先，Sycamore没有实际功能，只是产生随机数；其次，谷歌用于参考和比较的传统计算机算法并不是最优的。事实上，传统计算机也可以毫无困难地完成这项任务。IBM批准的路线是将量子计算的优势与传统计算机相结合，尽快实现量子计算的商业化。IBM已经为企业和科研机构推出了其量子云服务的初始版本。那么谁的路是对的呢？作为吃瓜群众，我们能期待量子计算能给我们带来什么？量子计算机的五种技术路线首先，我们需要明确的是，量子计算机是基于量子力学物理定律的具有新能力的计算机系统的物理设备。量子计算机是在原子或电子等微观系统上编译的。与传统计算机用高低电位来表示1和0不同，量子计算机选择电子自旋的上下来表示1和0。相比之下，量子计算机的一个计算单元不再是晶体管，而是一个量子比特.换句话说，量子计算机的能力取决于其可操作量子位的数量和稳定性（相干时间、保真度）。实现量子计算机需要三个要素：可用的量子比特、高保真量子运算和量子系统（足够的量子比特）。自然界中所有具有量子效应的载体都可以作为量子比特，而现在实现量子计算机主要有五种不同的物理体系：这些技术路线各有优缺点，每种方案都有不同的研究机构在推进，不幸的是，两条路线均未取得突破性进展，因此目前研究人员无法确定实现量子计算机的最佳物理方案。目前80%到90%的开发者走固态器件的路线，主要包括超导和半导体。有两个原因。首先是人类希望利用目前非常先进的半导体和集成电路技术来实现量子计算机。这样做的好处在于未来计算机的可扩展性和集成性。二是大家希望在固态器件和电的方向去实现，因为大家还是期待未来量子计算机和经典计算机能够兼容融合。那么，量子计算机的技术难点在哪里呢？保真度取决于工艺和材料保真度是量子计算中衡量相位相干性损失的基本量度，其值介于0-1之间。定义为：其中简单假设H和H'没有显式时间，它们之间有一个扰动项H'=H+εV。简单地说，保真度是指量子计算单元执行的操作与预期信息的相似度。我们当然希望量子计算的保??真度越高越好。实现量子计算机需要三个要素：可用的量子比特、高保真量子运算和量子系统（足够的量子比特）。以超导量子比特为例，其最重要的优势之一是具有类电路结构，利用传统集成电路技术可以快速实现大规模印刷制造。它在过去几年发展得非常快。下图显示，超导量子比特的退相干时间大约会在两到三年内翻一番。现在整个量子位的性能都比十年前、十五年前要好。好多了。除了退相干和数量，我们还可以看到超导量子比特门以99.4%的高保真度运行。一台实用的量子计算机至少要集成100万个位门。难点在于如何在不降低位门保真度的情况下增加位数。从根本上，我们需要从材料和工艺两个方面进行改进。早期的量子比特使用的是非常传统的半导体材料，直接应用传统的半导体工艺，但是退相干性能比较差，不到一微秒。当时大家对这个超导量子计算并不抱太大希望，认为这东西只能研究量子力学的一些基本问题，真正用于量子计算还是有点不确定的。2007年，超导量子比特换成了电容机制，性能有了很大的提升。2013年和2014年，谷歌进行了多项技术创新，退相干时间迅速提升至数百微秒量级。尤其是今年，科学家开始应用新材料，比如钽，可能进一步将比特的退相干时间提高到数百微秒量级。这是令人鼓舞的。超导量子计算虽然诞生时间很短，但在过去的21年里一直保持着非常快的进步速度。因此，未来可能会进一步提高量子比特的退相干时间。事实上，目前对新技术、新材料的尝试还没有达到瓶颈。比如我们可以用超高真空封装，让我们的电路表面更干净；例如，我们可以探索原位基板熔化技术，这可能使我们的基板缺陷更少；还有就是所谓的同位素富集，就是对于我们超导量子芯片的衬底，比如硅，我们用硅的这种同位素28作为衬底可能会更好一些。业界认为，未来超导量子比特的退相干时间可以提高到毫秒级。毫秒是什么概念？用于商业应用的单个量子位需要4个九的保真度，两个量子位需要三个九。如果退相干时间能达到1毫秒，那么单个比特就可以达到5个9的保真度，双量子比特可以达到5个9的保真度。实现4个9的保真度。从过去的发展历程来看，多数专家认为，在未来10-15年内，具有商业价值的量子计算机将能够落地。当前的量子计算行业：斥巨资参会的张辉博士来自中科院量子信息实验室孵化的创新型企业本源量子计算技术有限公司，致力于推动量子计算的商业化。张博士认为，量子计算机还处于与传统计算机相当的“管”阶段。目前，所有研究量子计算机的机构，无论是业界领先的谷歌、IBM、D-wave，还是国内的初创公司，在量子计算业务上的收入都是零，研究投入巨大。基础硬件设备至少需要500-6亿元人民币。但这并不意味着这个行业不可持续。事实上，各国早已启动了量子计算的产业布局，相关扶持政策也相继出台。其美好的前景也吸引了大量的社会投资。量子计算这几年有一些实践探索的案例，比如量子计算+智能交通。理论上，已经对很多路径的优化算法进行了研究。谷歌和大众汽车在2019年使用了量子路由算法和交通数据管理。在现实中，控制九辆公共汽车来优化从会场到酒店的路线。当然，很多人会说，九辆汽车也可以用经典计算机来解决，但关键是量子计算只需要一个非常简单的模型就可以控制九辆汽车。有指数级的提升，这是传统计算机无法实现的。量子计算+金融可以解决金融领域的很多困难和问题。摩根大通和IBM正在联合研究提价和加速量子二次的算法，还有很多其他银行很感兴趣的算法。量子计算+生物医学也是一个非常有吸引力的方向。在过去的一段时间里，很多公司或机构都在医学领域与团队合作，包括如何模拟分子原子的演化。2018年，中国本源量子公司发布了全球首款用于模拟复杂分子结构的量子化学应用软件。未来复杂药物的合成不需要再用一个一个的方法。可以利用计算机模拟来缩短研发时间。张辉博士表示，我国的量子计算还处于探索阶段。以原始量子为例，其主要推进方向是利用半导体量子点实现量子计算机。这项研究尚未取得成果。该公司现已推出一款2量子比特的量子计算机。计算云服务，但其计算能力有限，主要用于展示和推广。张博士透露，2020年，本源量子协会和中科院将发布中国第一台量子计算机，大约20-30个量子比特。虽然这和美国还有4-5年的差距，但他认为，参考目前量子计算的发展速度，未来10-15年，我们至少可以实现量子计算机的商业化落地与美国同步。借用我国量子信息学科奠基人郭光灿院士的一句话：现在量子计算就像一个山洞，我们不知道这个山洞是宝还是猛兽。但是美国和其他发达国家正在涌入这个洞穴。中国人没有理由不进去，我们也要有勇气进去，看看这个量子计算能不能做。研讨会演讲课件：https://dl.ccf.org.cn/meeting/loadMeetingDetailById?id=4861100654249984&_ack=1
