量子計算機用于解決實際問題不會是太遙遠的將來。
雖然“谷歌實現(xiàn)量子霸權(quantumsupermacy)”的消息尚未坐實，但量子計算機的發(fā)展速度已經(jīng)不可阻擋。
去年12月，一臺筆記本電腦即可模擬谷歌最好的量子計算機;到了今年1月，一臺功能強大的臺式機尚可與之媲美;等到“量子霸權”實現(xiàn)后，經(jīng)典計算機的速度將無法再模擬量子計算機了。
量子計算第一階段
谷歌有望成為首個宣稱實現(xiàn)“量子霸權”的公司。早在去年谷歌就與NASA合作，致力于實現(xiàn)“量子霸權”。根據(jù)提前泄露的論文，谷歌已經(jīng)能夠利用一臺53量子比特的量子計算機實現(xiàn)傳統(tǒng)架構計算機無法完成的任務——在世界第一超算Summit需要計算1萬年的實驗中，谷歌的量子計算機只用了3分20秒。
這是迄今為止表明量子計算機超越傳統(tǒng)架構計算機，并走向實用化最為強烈的跡象。“相對于所有已知經(jīng)典算法而言，這種巨大的提速在實驗中實現(xiàn)了計算任務上的量子霸權，并預示了人們期待已久的計算范式的出現(xiàn)。”谷歌在論文中寫道。
不過NASA很快就把這篇文章刪除了，谷歌官方也未對此表態(tài)。嚴謹?shù)目茖W家認為，這或許是一項尚未證實的實驗和一篇尚未完成的論文提前被泄露了。“谷歌的實驗很可能還沒有經(jīng)過認證，提前被泄露了甚至可能引起相關的法律訴訟。”一位中科大從事量子物理研究的教授對第一財經(jīng)記者表示。
目前尚無法證實谷歌是否真正實現(xiàn)了所謂的“量子霸權”，也就是指當量子計算機發(fā)展到50個比特時，計算能力將超越全球最快的傳統(tǒng)計算機，實現(xiàn)“稱霸”。但谷歌和IBM都已分別在2017年11月和2018年3月宣稱實現(xiàn)了50個和72個量子位的原型機。
今年3月3日，谷歌量子AI實驗室三名科學家MasoudMohseni、PeterRead和HartmutNeven在《自然》雜志上發(fā)表文章指出：“量子計算領域即將迎來歷史性的里程碑——量子霸權。雖然現(xiàn)在仍然不知道與應用相關的算法是否能夠很快提升計算速度，但是只要量子計算的硬件，也就是量子計算機性能足夠強大，我們就能夠測試并且發(fā)展新的算法。”
量子計算機的研制目標分為三個階段：第一個階段就是“量子霸權”階段;第二個階段是實用化量子模擬機階段，實現(xiàn)數(shù)百個量子比特相干操縱的專用型量子計算系統(tǒng)，應用于具有實用價值的組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等方面，指導新材料設計、藥物開發(fā)等;第三個階段是通用可編程的量子計算機階段，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實現(xiàn)可容錯的量子計算機，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。
“如果完成三個階段，意味著人類實現(xiàn)了量子計算機的夢想，這將是人類實現(xiàn)第二次信息革命，全面進入量子信息時代的標志。”中科大副研究員張文卓對第一財經(jīng)記者表示。
目前，全球都仍處于第一階段的競逐中。在美國，從谷歌到IBM，在中國，從阿里巴巴到騰訊，世界頂尖的科技公司都在競相建造出第一臺量子計算機。
關于量子計算機的“誤解”
歐洲量子通信領軍人物、日內(nèi)瓦大學教授尼古拉·吉森博士(NicolasGisin)對第一財經(jīng)記者表示：“谷歌的這篇論文很可能是作為科學文章來發(fā)表，目前還未到解禁期。文章很可能是正確且真實存在的，即便谷歌量子計算機所計算的題目是人為設定的，會令經(jīng)典計算機難以達到。”
吉森教授還表示，量子計算機用于解決實際問題也不會是太遙遠的將來。
目前科學家已經(jīng)開始模擬量子計算用于解決新藥研發(fā)和基因測序等方面的復雜問題。麻省理工學院教授PeterShor在日前中科大的一場墨子沙龍活動上表示：“我認為量子計算機要產(chǎn)生實際的作用，可能需要至少等上十年甚至更多的時間，才能夠讓一些實用的量子計算機做比較大的數(shù)字的因子分解。”
Shor教授還表示，量子計算機和經(jīng)典計算機的速度是很難做比較的，這就好像無法回答“火車要比船快多少的問題”。“這不僅僅取決于運輸方式，還取決于目的地在哪里。”Shor教授表示。
他認為，人們對于量子計算機還存在著很多誤解，不應該單從速度的角度將量子計算機與經(jīng)典計算機來作比較。“量子計算機不僅是經(jīng)典計算機更快的版本，公眾的誤解非常普遍，他們覺得計算機非常重要的就是空間以及它的速度多快，而不是它的記憶、儲存。”Shor教授解釋道，“量子計算機上的每一步幾乎肯定要比傳統(tǒng)計算機復雜，但是量子計算機可以通過利用量子力學特性的算法，大大減少所需要的部署，從而加快計算的速度，這個是傳統(tǒng)計算機所不具備的。”
中科院院士、中科大教授潘建偉則表示，開發(fā)出這樣一種全功能的量子計算機和量子模擬器需要很長時間，但人們已經(jīng)開始使用一些局部的量子模擬，也就是所謂的“半量子模擬”來做相應的工作，從而支持到我們的機器學習等等，這也是很有實用價值的。
根據(jù)波士頓咨詢(BCG)援引部分制藥行業(yè)的高管預估，量子模擬可將藥物發(fā)現(xiàn)率提高5%到10%，并節(jié)省15%到20%的研發(fā)時間。與此同時，他們還認為更優(yōu)的分子設計將推動藥物審批效率。BCG預測2030年，在制藥行業(yè)，量子計算市場規(guī)模將達200億美元，化學、材料科學等科技密集型產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將達70億美元。
BCG引用一家大型制藥公司研發(fā)部門的負責人的話稱：“在原子水平上，目前的高性能計算無法處理大多數(shù)的模擬，量子計算可以成倍地提高藥物發(fā)現(xiàn)概率。在美國，如果復雜的量子模擬是可行的，有10%的公司愿意為其承擔費用，這對應著150億到300億美元的量子計算市場機會。事實上，目前全球高性能計算的市場規(guī)模是100億美元。”
競爭
盡管谷歌如果率先宣稱實現(xiàn)“量子霸權”將是一個了不起的進步，但谷歌在美國的競爭對手IBM對此并不感冒，反而是提出了一個叫做“量子優(yōu)勢”的概念。IBM的量子計算戰(zhàn)略負責人RobertSutor介紹道：“量子優(yōu)勢，是在一個真實應用場景，比如金融服務、AI、化學中，量子計算機做出了比任何經(jīng)典計算機要明顯優(yōu)秀的工作。”
IBM一直在探索量子計算的應用，還在線上對外開放了一臺53比特的通用量子計算機IBMQ。這臺量子計算機位于紐約，去年5月就已經(jīng)投入在線運行。今年年初，IBM宣布了量子計算機的商業(yè)化方案，希望更多研究人員能夠使用其在線量子計算系統(tǒng)。未來這臺量子計算機有望在更多領域發(fā)揮用途，比如發(fā)現(xiàn)新材料和新藥物，以及讓人工智能變得更強大。
不過，谷歌研究院、加州理工學院的理論物理學家FernandoBrando認為，在達成“量子霸權”之前，量子計算機不可能做出什么有意思的事。
張文卓對第一財經(jīng)記者表示：“實現(xiàn)量子計算的物理方案有很多種，互相競爭，IBM和谷歌的系統(tǒng)不一樣，使用離子阱方案，無法擴展到很大，相比之下谷歌使用的是超導電路方案，原則上可以無限制擴展，這樣看來，谷歌投的方案前景更大。”
谷歌的科學家認為，未來幾十年學界、行業(yè)和國家實驗室需要聯(lián)合起來開發(fā)量子模擬和量子機器學習的算法。“谷歌將基于云服務提供谷歌量子處理器的入口，來支持那些缺乏資金、技術和基礎設施支撐的機構的研究。”谷歌研究人員表示。
根據(jù)谷歌的定義，終極量子計算機將能夠容忍噪音和錯誤，而且原則上能夠處理任何問題。理論上講，它們需要更強大的處理器，能夠包容更多的量子比特，而且為了達到糾錯功能，還需要機器冗余，不過要實現(xiàn)這樣的技術至少還要等上10年左右。
對于量子計算機的商業(yè)化前景，谷歌表示：“對于量子計算的保守估計，投資者預計只能在長期獲得回報。盡管如此，我們依然認為，隨著小型的量子計算機會在5年內(nèi)逐漸興起，短期的回報仍然是有可能的，雖然這些設備無法實現(xiàn)完全的糾錯功能。”
