【科学强国】量子计算产业化有多难？面临多个挑战

　　近年来，量子科技特别是量子计算的研究加速发展，包括中国在内的40多个国家制定了量子发展规划，量子科技前沿的竞争热度不断升温。

　　经典计算机需要100年才能破译的密码，量子计算机用1秒钟就能攻破。正是看到了这样的“洪荒之力”，量子计算成为了世界各国重点发展的前沿科技领域之一。

　　什么是量子计算

　　量子计算中的“量子”，代表的是“量子力学”。量子力学诞生于上世纪初，由普朗克、爱因斯坦、霍尔等科学先驱共同努力建立，是人类迄今最基本也最深奥的科学理论体系，奠定了现代信息技术发展的科学基础，也被视为未来量子信息技术革命的科学源泉。

　　而量子计算，通俗一点讲，就是利用量子力学原理进行计算的技术。假如电子计算是“煤”，量子计算就是“核能”，准确的说，它带给计算机的提升是“核武器”级别的。

　　与经典计算相比，量子计算的最大特点是它能够进行强大的并行计算，根据理论设想，由几百个量子比特构成的量子计算机，利用量子相干叠加原理，计算能力随可操纵的粒子数呈现出惊人的指数增长，为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供解决方案。

　　2012年，物理学家约翰·普莱斯基尔(JohnPreskill)提出了量子计算的“三座里程碑”，也被国际公认是达成通用量子目标的三个阶段——第一座山：量子霸权。它指的是造出在某个问题上超越经典计算机能力的量子计算机。谷歌的悬铃木、中科大的九章、祖冲之等，都已经相继在特定任务上实现了量子计算优越性。不过，为量子优越性打造的量子计算机，是针对特定任务进行精心设计的，主要意义是证明量子计算的潜力。想要让量子计算来解决实用问题，就需要跨越第二座山：实用量子模拟机，制造出专用的量子模拟机，对量子体系进行精准制备、操控与测量，为走入商用做准备。第三座山，是最终、也最困难的目标，研制可编程的通用量子计算机。

　　量子计算有多重要

　　量子计算这么厉害，对于当下而言有什么意义呢？

　　作为一种全新计算范式，量子计算在教育科研、数字经济、人工智能、信息安全、金融科技、材料模拟等众多领域具备独特优势，可以轻松解决经典计算机无法处理的难题，带来颠覆性效率升级。例如，量子计算仅需1秒就能破译RSA公钥密码系统，而经典计算机则需要10万年以上。

　　因此，不少国家高度重视量子科技的发展。

2016年，欧盟宣布启动11亿美元的“量子旗舰”计划。

　　2018年，美国通过《国家量子倡议法案》，计划投资1000亿美元在量子计算等10个领域。

2019年8月，德国宣布6.5亿欧元的国家量子计划。

　　2019年12月6日，俄罗斯副总理马克西姆·阿基莫夫于索契举行的技术论坛上提出国家量子行动计划，拟5年内投资约7.9亿美元，打造一台实用的量子计算机，并希望在实用量子技术领域赶上其他国家。

　　2022年1月4日，法国宣布启动全国量子计算平台，初始投资7000万欧元（约合5.05亿元人民币），目标投资总额为1.7亿欧元。

在中国，根据《“十四五”规划纲要和2035年远景目标纲要》，“十四五”期间，我国量子信息领域的科技攻关任务围绕量子通信技术研发、量子测量技术突破和量子计算的产品研制。

　　企业也成为量子计算研发的主要力量。

谷歌、IBM、微软、英特尔等国际企业，以及国内的百度、阿里、腾讯、华为等企业均有相关布局，对量子计算的发展形成了巨大的推动。

　　中国信息通信研究院发布的《量子信息技术发展与应用研究报告》显示，从2000年到2019年，全球量子信息三大领域科研论文发文量持续上升，美国科研机构和企业的论文数量超过12000篇，位列各国第一，中国紧随其后超过9000篇，德国、日本、英国分列第三到第五位。其中在量子通信、量子计算、量子精密测量三个领域，中国的论文发表量分列第一位、第二位、第二位。

　　中国量子计算研究进展

　　2021年10月，中科院量子信息与量子科技创新研究院科研团队在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面取得重要进展，使我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

图源：央视新闻

　　经过研究攻关，超导量子计算研究团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解，比目前最快的超级计算机快一千万倍，计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型机“悬铃木”高一百万倍，使得我国首次在超导体系达到了“量子计算优越性”里程碑。

　　同时，光量子计算研究团队构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，处理特定问题的速度比超级计算机快亿亿亿倍，并增强了光量子计算原型机的编程计算能力。

不过，量子计算从实验室走向产业化，仍存在巨大的鸿沟。首先，量子计算还处于早期的发展阶段，量子计算的价值需要逐步实现。其次，现阶段量子计算领域的量子硬件和量子服务割裂，量子算力难以转化为用户触手可及的量子服务。第三，量子计算的学科交叉性，使得量子计算的产业化需要聚合多个领域的科研人员、开发者以及合作伙伴持续不懈努力。

量子计算产业化还有多远

虽然量子计算的产业化发展仍处于相对早期的阶段，但是各大科技公司的介入，推动了量子产业化的步伐。

　　在8月25日举办的量子开发者大会上，百度对外发布超导量子计算机“乾始”，并推出全球首个全平台量子软硬一体化解决方案“量羲”，则标志着中国在量子计算产业化上进入全球第一梯队。

　　据介绍，“乾始”是集量子硬件、量子软件、量子应用于一体的产业级超导量子计算机，现已搭载10 量子比特高保真度超导量子芯片。“量羲”则提供私有化部署、云服务、硬件接入等系列服务，最大程度上简化量子硬件部署到量子服务的全流程。百度希望借此让“量子计算触手可及”，实现“人人皆可量子”。

百度超导量子计算机“乾始”，图源：网络

　　目前，围绕量子计算的产业生态已经初具雏形。IDC报告显示，全球量子计算市场将从2020年的4.12亿美元增长到2027年的86亿美元，6年复合年增长率超过50％。“开发者、科技公司、科研机构等每一个组织都做好自己擅长的事情，才能够构建成一个健康的量子生态。”百度量子计算研究所所长段润尧称。

　　中国科学院院士、北京量子信息科学研究院院长向涛表示，量子计算的应用与产业化成为国际大企业展示实力、布局未来的新战场，逻辑很简单，失去量子计算的控制权，就可能失去未来信息社会的话语权。

　　中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长、中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任潘建伟说过，“量子优越性”的实现，意味着中国进入了量子计算发展的第一阶段，在未来，中国仍要向两个更高的发展阶段迈进。在第二阶段，中国需构建操纵数百个量子比特的专用量子模拟器，以解决经典计算机无法胜任的复杂物理系统的规律问题，如高温超导机制；在第三阶段，中国则需构建出可编程的通用量子计算机。

　　此外，他还认为，将中国在量子计算领域的实验研究优势转化为现实可应用的技术，仍任重而道远。目前，距离量子计算实现真正产业化还很遥远。

　　（中国小康网综合科技日报、封面新闻、新华每日电讯、央视新闻、百度百科、经济参考报等）

　　作者：风华

　　审核：龚紫陌

　　视觉：龙昊