文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé

編輯|Meister Xia

一覽：

• 與傳統(tǒng)計算機(jī)不同，量子位可以同時代表0和1。由于它們的疊加狀態(tài)，可以做并行計算，從而加快復(fù)雜問題的求解。
• 目前，量子處理器仍處于研發(fā)階段：它占用的體積太大，控制量子位所需的光學(xué)系統(tǒng)，包括激光器、透鏡和鏡子等設(shè)備都過于復(fù)雜。
• 現(xiàn)有硬件不成熟導(dǎo)致計算無法完成、發(fā)生錯誤的情況，量子計算機(jī)必須能自我糾正，才能實現(xiàn)正常運行。
• 量子計算機(jī)短期內(nèi)不會取代個人電腦或智能手機(jī)。第一批用戶將是政府部門和大企業(yè)，而非普通大眾。

量子計算機(jī)的運算以量子位為基礎(chǔ)。量子位不同于標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)二進(jìn)制位，其值可以是0或1，也可以是0和1的疊加。這一特性意味著，在某些計算任務(wù)上，量子計算機(jī)可能比傳統(tǒng)計算機(jī)快得多，能解決傳統(tǒng)計算機(jī)無法解決的一些問題。

巴黎綜合理工學(xué)院教授Landry Bretheau解釋道：“量子計算機(jī)可在大規(guī)模疊加狀態(tài)下操縱許多量子位，例如 0000 加 1111。在這種‘糾纏’狀態(tài)下，可以并行進(jìn)行多個計算。舉個具體的例子——計算走出迷宮的路徑問題。你會怎么做呢？人類或計算機(jī)程序會一一嘗試不同的可能路徑。每次到達(dá)死胡同就原路返回。如此這般反復(fù)嘗試，去測試所有可能的路徑，直到走出迷宮。由于量子系統(tǒng)可以處于疊加狀態(tài)，即它可以同時處于迷宮的多個位置，因此它可以嘗試并行探索所有不同的路徑，以更快地逃離迷宮?！?/p>

量子位構(gòu)建的平臺和材料有多種選擇：可以在超導(dǎo)計算機(jī)中構(gòu)建量子位，也可以有基本粒子量子位，或捕獲離子量子位。光子量子處理器也是一種可能，但此類技術(shù)目前還在開發(fā)中。法國量子技術(shù)企業(yè)Pasqal首席技術(shù)執(zhí)行官Loc Henriet 解釋道：“雖然我們常說量子計算機(jī)，但更準(zhǔn)確的稱呼應(yīng)該是量子處理器，因為整個計算不能全部在量子計算機(jī)上實現(xiàn)，它只能完成其中的一小部分，還必須用傳統(tǒng)處理器來協(xié)調(diào)計算的所有步驟?！?/p>

目前，量子處理器仍處于實驗階段。首先，它占用空間太大。Henriet團(tuán)隊正在研制的量子處理器尺寸為3米×2米×2米。另外，它需要10-11mbar的極高真空才能將量子位放置在準(zhǔn)確的位置，相當(dāng)于月球表面的氣壓。

控制量子位所需的光學(xué)器件包括激光器、透鏡和鏡子，這些設(shè)備都很復(fù)雜。為了協(xié)調(diào)不同設(shè)備組成的硬件協(xié)同操作，需要機(jī)載軟件，也就是量子處理器的操作系統(tǒng)。

01 量子計算潛在應(yīng)用領(lǐng)域

在許多方面，無論是在計算時間還是計算結(jié)果精度，量子計算機(jī)都比傳統(tǒng)計算機(jī)優(yōu)越。一個十分典型的例子是用量子計算機(jī)運行Shor算法，該算法能將大數(shù)字有效地分解為質(zhì)因子，在密碼學(xué)和計算機(jī)安全領(lǐng)域很有用。量子計算機(jī)還擅長利用特殊算法來解決復(fù)雜的優(yōu)化問題，例如與調(diào)度、路線和物流相關(guān)的問題，從大量可能性中找到最佳解決方案。在多個城市之間尋找最短路線的“旅行推銷員”問題，量子計算機(jī)能迎刃而解，未來的物流配送企業(yè)必定有意愿使用。

量子計算機(jī)也能解決與分子化學(xué)反應(yīng)性相關(guān)的問題。Henriet 解釋道：“分子化學(xué)領(lǐng)域正在進(jìn)行大量的研究。借助量子處理器，能更有效計算分析蛋白質(zhì)的反應(yīng)性，促進(jìn)制藥工業(yè)發(fā)展和新藥物合成。新材料的特性同樣可用量子計算機(jī)分析，加快它們在各種技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用?！?/p>

機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能是量子計算機(jī)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域。量子計算機(jī)有望通過提供更快、更有效的優(yōu)化例程或開拓新模型架構(gòu)，改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法甚至實現(xiàn)技術(shù)突破，開辟巨大新市場。當(dāng)然，這一切前提是量子計算機(jī)實現(xiàn)量產(chǎn)，相應(yīng)的算法和應(yīng)用程序順利開發(fā)，以充分發(fā)揮量子計算的獨特優(yōu)勢。

02 “通用性”的實現(xiàn)

量子計算機(jī)的實際應(yīng)用，還有賴于“通用性”的實現(xiàn)——現(xiàn)有硬件不成熟導(dǎo)致計算無法完成、發(fā)生錯誤的情況，計算機(jī)必須能自我糾正。導(dǎo)致錯誤的主要原因是量子位本身的退相干破壞了量子位的量子特性，并使其返回到經(jīng)典位的狀態(tài)。退相干是量子位與其環(huán)境的相互作用引起的，避免方式是有效隔離系統(tǒng)，但這是個技術(shù)難關(guān)。量子位通常必須在接近絕對0度的溫度下運行，才能保證相互隔離并與環(huán)境隔離。不過，“容錯量子計算”也可以使用量子糾錯（QEC）技術(shù)來實現(xiàn)：使用大量量子位來創(chuàng)建“邏輯量子位”，減少錯誤。

據(jù)專家介紹，真正的“量子優(yōu)勢”或者“量子超能”只有在運行一百萬個量子位的量子計算機(jī)里才能實現(xiàn)，但目前的最高記錄還不到100個量子位，所以未來研發(fā)還有很長的路要走。

03 未來主要挑戰(zhàn)

雖然大規(guī)模量子計算機(jī)的研發(fā)不存在理論障礙，但在技術(shù)上有亟需攻克的重大挑戰(zhàn)。Henriet 解釋道：“高科技企業(yè)已將量子計算視為一項戰(zhàn)略投資，不想錯失良機(jī)。量子處理器必將成為未來IT解決方案中不可或缺的部分，唯一的問題只是多久以后?！?/p>

量子技術(shù)革命即將掀起，法國學(xué)術(shù)資源豐富、企業(yè)發(fā)達(dá)、創(chuàng)業(yè)界活躍，必能把握住浪潮，走在前列。當(dāng)然，最終的成效也取決于終端客戶和企業(yè)的反響和接受度。

“過去五年間，量子計算熱度顯著增加?！?/p>

不過，量子計算機(jī)短期內(nèi)不會取代個人電腦或智能手機(jī)，第一批用戶將是政府部門和大型企業(yè)，而不是公眾。Bretheau教授補(bǔ)充道：“科研界本身也是第一批用戶?；瘜W(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科都躍躍欲試，期待著用量子計算算法解決各自的難題。過去五年間，量子計算熱度顯著增加。由于涌現(xiàn)了一大批初創(chuàng)企業(yè)和大型募資項目，有人將現(xiàn)階段稱為‘量子技術(shù)昌盛期’?！?/p>

美國的兩家量子企業(yè)PsiQuantum和IonQ就分別籌集了高達(dá)6億歐元和4億歐元的投資?！?021年，馬克龍總統(tǒng)宣布啟動法國量子技術(shù)國家戰(zhàn)略。從資本角度來看，目前法國最順風(fēng)順?biāo)某鮿?chuàng)企業(yè)是Pasqal，不久前籌集了1億歐元的資金?！?/p>

盡管未來十年內(nèi)還無法構(gòu)建一臺可運行、可容錯的量子計算機(jī)，但研發(fā)的過程肯定會帶來意想不到的發(fā)現(xiàn)，具有廣泛的潛在用途，甚至改變社會的面貌，就像近五十年來的經(jīng)典計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)。

Bretheau教授表示：“如今，量子計算行業(yè)蓬勃發(fā)展，令人激動的新發(fā)現(xiàn)層出不窮，在這一領(lǐng)域工作，現(xiàn)在的時機(jī)再好不過?！?/p>