文|陳根
自1982年物理學(xué)家理查德?費(fèi)曼首次提出如何利用量子力學(xué)的特性來(lái)徹底改變計(jì)算以來(lái)，量子計(jì)算就成為人們最為看好的技術(shù)之一。擁有高出普通計(jì)算機(jī)數(shù)十甚至數(shù)百倍算力的量子計(jì)算機(jī)，是吸引了無(wú)數(shù)科技公司、大型學(xué)術(shù)團(tuán)體以及各國(guó)政府的研究熱點(diǎn)。各公司，甚至各國(guó)都將注意力集中于量子計(jì)算系統(tǒng)遠(yuǎn)超當(dāng)今“經(jīng)典”計(jì)算系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，即實(shí)現(xiàn)所謂的“量子優(yōu)越性”。
然而，盡管谷歌在兩年前就宣稱(chēng)已經(jīng)達(dá)到這一里程碑，但量子優(yōu)越性的實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有解決一個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能解決的實(shí)際問(wèn)題，且IBM和其他公司很快表明，可以通過(guò)對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)整來(lái)抵消谷歌量子計(jì)算系統(tǒng)的一些所謂優(yōu)勢(shì)。
自此，量子計(jì)算系統(tǒng)解決實(shí)際問(wèn)題成為新的競(jìng)爭(zhēng)方向——量子技術(shù)商業(yè)化受到越來(lái)越多的關(guān)注。IonQ首席執(zhí)行官彼得?查普曼預(yù)計(jì)，基于量子優(yōu)勢(shì)的首個(gè)實(shí)際應(yīng)用將正式開(kāi)啟量子時(shí)代。但事實(shí)上，目前，科學(xué)家們、商業(yè)機(jī)構(gòu)都并沒(méi)有研制出可擴(kuò)展的、商用級(jí)的量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)。量子技術(shù)的商業(yè)化似乎仍舊遙遠(yuǎn)。
提高算力，降低能耗
量子力學(xué)是物理學(xué)中研究亞原子粒子行為的一個(gè)分支，而運(yùn)用神秘的量子力學(xué)的量子計(jì)算，則超越了經(jīng)典牛頓物理學(xué)極限的特性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)則成為科技界長(zhǎng)期以來(lái)的夢(mèng)想。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)以比特（bit）作為存儲(chǔ)的信息單位，比特使用二進(jìn)制，一個(gè)比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子計(jì)算機(jī)里，情況會(huì)變得完全不同，量子計(jì)算機(jī)以量子比特（qubit）為信息單位，量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，還可以做到“既1又0”，這意味著，量子計(jì)算機(jī)可以疊加所有可能的“0”和“1”組合，讓“1”和“0”的狀態(tài)同時(shí)存在。
也就是說(shuō)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的2位寄存器一次只能存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子比特寄存器可以同時(shí)保持所有4個(gè)狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個(gè)時(shí)，量子處理器對(duì)n個(gè)量子位執(zhí)行一個(gè)操作就相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典位執(zhí)行2n個(gè)操作，這使得量子計(jì)算機(jī)的處理速度大大提升。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)算力呈指數(shù)級(jí)規(guī)模拓展和爆發(fā)式增長(zhǎng)，形成“量子優(yōu)越性”。
量子計(jì)算除了實(shí)現(xiàn)算力的提升外的另一核心優(yōu)勢(shì)，就是降低能耗。眾所周知，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，能耗是一大技術(shù)難題。處理器對(duì)輸入兩串?dāng)?shù)據(jù)的異或操作，而輸出結(jié)果只有一組數(shù)據(jù)，計(jì)算之后數(shù)據(jù)量自然也會(huì)減少，根據(jù)能量守恒定律，消失的數(shù)據(jù)信號(hào)必然會(huì)產(chǎn)生熱量。
因此，經(jīng)典計(jì)算的集成度越高，散熱越困難。隨著摩爾定律漸近極限，以后的計(jì)算能力的提高只能依靠堆積更多的計(jì)算芯片，這將導(dǎo)致更大的能耗。
但量子計(jì)算中，輸入多少組數(shù)據(jù)輸出依舊是多少組數(shù)據(jù)，計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)量沒(méi)有改變，計(jì)算過(guò)程也就沒(méi)有能耗。這意味著，只有在最后測(cè)量的時(shí)候產(chǎn)生了能耗。而經(jīng)典計(jì)算在每一個(gè)比特的計(jì)算過(guò)程中都將產(chǎn)生能耗。
在提高算力和降低能耗的開(kāi)源節(jié)流的核心優(yōu)勢(shì)下，量子計(jì)算必然是擺脫當(dāng)前計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路徑與顛覆未來(lái)的新技術(shù)。
當(dāng)前，針對(duì)一些傳統(tǒng)行業(yè)來(lái)說(shuō)，大量研發(fā)環(huán)節(jié)所面臨的計(jì)算壓力已經(jīng)顯現(xiàn)，尤其那些在分子領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)的產(chǎn)業(yè)，以現(xiàn)有人類(lèi)科技的計(jì)算能力，所消耗的時(shí)間和成本巨大，比如，生物制藥、化工、能源等；還有另外一些本就對(duì)計(jì)算能力要求較高的科技行業(yè)，亦是量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域，比如，搜索、數(shù)字安全、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)以及當(dāng)前大火的元宇宙等。
毋庸置疑，如果沒(méi)有量子技術(shù)這種超運(yùn)算的技術(shù)，這些產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域?qū)⒑茈y依靠當(dāng)前的芯片以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算技術(shù)來(lái)處理龐大的數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)超遠(yuǎn)距、超高速、超安全的傳輸、計(jì)算與應(yīng)用。
以計(jì)算化學(xué)為例，模擬一種相對(duì)基礎(chǔ)的分子（如咖啡因）將需要一臺(tái)10的48次方比特的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這相當(dāng)于地球上原子數(shù)量的10%。而模擬青霉素則需要10的86次方比特——這個(gè)數(shù)字比可觀(guān)測(cè)宇宙中的原子數(shù)量總和都要大。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無(wú)法處理這種任務(wù)，但在量子領(lǐng)域，這樣的計(jì)算則成為可能。
量子計(jì)算正吸金
當(dāng)前，量子計(jì)算越來(lái)越受到重視。作為打破摩爾定律、實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)算力指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的新興技術(shù)，吸引了無(wú)數(shù)科技公司、大型學(xué)術(shù)團(tuán)體為其投入。
事實(shí)上，盡管對(duì)量子計(jì)算行業(yè)未來(lái)的預(yù)測(cè)各不相同，但幾乎所有觀(guān)點(diǎn)都認(rèn)為其規(guī)模將是巨大的。正如量子信息跟蹤網(wǎng)站 “量子計(jì)算報(bào)告”的運(yùn)營(yíng)者道格·芬克（Doug Finke）所說(shuō)：“我認(rèn)為量子計(jì)算的市場(chǎng)到2025年前后能達(dá)到10億美元，且可能在2030年前達(dá)到50-100億美元?！?nbsp;后者的價(jià)值相當(dāng)于今天高性能計(jì)算市場(chǎng)的10%-20%。根據(jù)霍尼韋爾（Honeywell）的估計(jì)，未來(lái)30年量子計(jì)算的價(jià)值可能達(dá)到1萬(wàn)億美元。
基于量子計(jì)算的廣闊市場(chǎng)前景，也就不難理解為什么量子計(jì)算的商業(yè)化能能吸引到大量公共和私人的投資。主流風(fēng)投以及大公司已經(jīng)開(kāi)始押注私人量子計(jì)算公司。Google、IBM、Honeywell 這樣體量的公司正在大量投資量子計(jì)算，包括自研、私募股權(quán)投資、合作等手段。最近的一份報(bào)告稱(chēng)，僅2021年，就有超過(guò)10億美元的私人投資用于量子計(jì)算研究。
其中，大多數(shù)項(xiàng)目、公司處于早期階段，多為種子輪、A輪，甚至是孵化/加速狀態(tài)。值得注意的是，投資量子計(jì)算的主體有很大特殊性，由于量子計(jì)算的超強(qiáng)計(jì)算能力、量子密碼構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)的加密性，“國(guó)家隊(duì)投資”在其中扮演了不可或缺的推動(dòng)力量。
事實(shí)上，除了主流投資機(jī)構(gòu)、大型公司參與到了其中，類(lèi)似美國(guó)DOE、CIA、NASA、加拿大 STDC、澳大利亞電信等“國(guó)家隊(duì)”角色起到了不小的助推作用。它們以捐贈(zèng)、投資、孵化等形式推動(dòng)量子計(jì)算的科研和商業(yè)化。例如谷歌的量子計(jì)算項(xiàng)目之一則涉及與 NASA 合作，將該技術(shù)的優(yōu)化能力應(yīng)用于太空旅行。
此外，美國(guó)政府準(zhǔn)備投入約12億美元到國(guó)家量子計(jì)劃（ NQI）項(xiàng)目中。該項(xiàng)目在2018年末正式啟動(dòng)，為學(xué)術(shù)界和私營(yíng)部門(mén)的量子信息科學(xué)研發(fā)提供總體框架。英國(guó)國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃（NQTP）于2013年啟動(dòng)并承諾在10年內(nèi)投入10億英鎊，目前該計(jì)劃已進(jìn)入第二階段。
對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，盡管我國(guó)科技公司相比美國(guó)進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域時(shí)間較晚，但近年來(lái)行業(yè)領(lǐng)軍公司和科研院所也開(kāi)始陸續(xù)在量子計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行布局。2021年“兩會(huì)”期間，量子信息技術(shù)首次被提及，成為了中國(guó)面向“十四五”重點(diǎn)突圍的核心技術(shù)之一，同時(shí)也是“國(guó)家安全和全面發(fā)展”的七個(gè)戰(zhàn)略領(lǐng)域之一。
科技巨頭方面，騰訊于2017年進(jìn)軍量子計(jì)算領(lǐng)域，提出用“ABC2.0”技術(shù)布局，即利用人工智能、機(jī)器人和量子計(jì)算，構(gòu)建面向未來(lái)的基礎(chǔ)設(shè)施。華為于2012年起開(kāi)始從事量子計(jì)算的研究，量子計(jì)算作為華為中央研究院數(shù)據(jù)中心實(shí)驗(yàn)室的重要研究領(lǐng)域，研究方向包括了量子計(jì)算軟件，量子算法與應(yīng)用等。阿里則通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行以硬件為核心的全棧式研發(fā)，另一方面是構(gòu)建生態(tài)，與產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游的合作伙伴探索落地應(yīng)用。
可以看見(jiàn)，不論是科技公司、初創(chuàng)公司，都對(duì)量子計(jì)算寄予厚望且滿(mǎn)懷熱情。
技術(shù)需突破，規(guī)模難量產(chǎn)
量子計(jì)算的顛覆性是可預(yù)見(jiàn)的，但是，想要量子計(jì)算真正投入到有用的生產(chǎn)生活中，仍有一段距離。由于技術(shù)仍處于開(kāi)發(fā)階段，當(dāng)量子科技從學(xué)術(shù)落地到企業(yè)商業(yè)化過(guò)程中時(shí)，該行業(yè)依然存在技術(shù)突破、規(guī)模量產(chǎn)難走的現(xiàn)實(shí)困境。
當(dāng)前，量子計(jì)算商業(yè)化仍停留在技術(shù)探索階段。盡管目前，量子計(jì)算已經(jīng)在理論與實(shí)驗(yàn)層面取得了一些重大突破，包括美國(guó)、歐洲、中國(guó)在內(nèi)的一些國(guó)家，都在量子技術(shù)層面取得了不同的突破與成就，也有了一些相應(yīng)的商業(yè)運(yùn)用。但目前這些商業(yè)運(yùn)用都還處于早期階段，或者說(shuō)是處于技術(shù)的探索運(yùn)用階段。
比如，量子比特需要量子相干性以形成量子糾纏，這相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要有增益的晶體管。但如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和相干性則是量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題即使在理論上也是難以解決的，因?yàn)榱孔有畔o(wú)法被復(fù)制，而量子計(jì)算機(jī)中的子系統(tǒng)相互糾纏，這導(dǎo)致所有設(shè)計(jì)都要以全局的角度來(lái)思考。
并且，目前還不完美的量子計(jì)算機(jī)還需要獲得更多改進(jìn)。淺量子電路需要更高的柵極保真度和更多穩(wěn)定性以限制去相干。量子退火機(jī)器則需要在連接性，控制精度和相干時(shí)間方面得到改進(jìn)。
從商業(yè)化角度來(lái)說(shuō)，目前量子科技賽道的企業(yè)幾乎沒(méi)有實(shí)現(xiàn)累計(jì)盈利。由于技術(shù)壁壘較高，企業(yè)研發(fā)投入動(dòng)輒高達(dá)數(shù)十億，產(chǎn)品卻依舊不斷試錯(cuò)中，商業(yè)化難以開(kāi)拓。以IonQ為例，作為一家專(zhuān)注于量子計(jì)算的獨(dú)角獸公司，根據(jù)該公司發(fā)布的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，2019年、2020年，該公司實(shí)現(xiàn)收入20萬(wàn)美元、0美元，而凈虧損分別為892.6萬(wàn)美元、1542.4萬(wàn)美元，商業(yè)化程度極低，投入資金大部分為研發(fā)費(fèi)用。
道格·芬克追蹤了200多家量子技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)后，預(yù)計(jì)絕大多數(shù)在10年內(nèi)將不復(fù)存在，至少不復(fù)以目前的形式存在。他表示：“可能會(huì)有一些贏(yíng)家，但也會(huì)有很多輸家，有些將倒閉，有些將被收購(gòu)，有些將被合并?！?/p>
可以看劇，盡管目前的量子計(jì)算技術(shù)獲得了一系列的突破，也處于不斷突破的過(guò)程中，世界各國(guó)政府也都非常重視，并投入了大量的財(cái)力、人力，但距離真正的規(guī)模性商業(yè)化還需要一段路要走。規(guī)模商業(yè)化需要的是對(duì)技術(shù)穩(wěn)定性的要求，這與實(shí)驗(yàn)性與小規(guī)模應(yīng)用有著本質(zhì)的區(qū)別。
目前量子計(jì)算技術(shù)面臨的核心問(wèn)題還是在實(shí)證物理階段的困擾，在理論物理階段已經(jīng)基本成熟，但進(jìn)入實(shí)證物理階段的時(shí)候，我們需要的是讓這個(gè)難以琢磨以及極為不穩(wěn)定的量子糾纏能夠成為一種可掌握的“穩(wěn)定性”技術(shù)。
總體而言，量子計(jì)算的未來(lái)是樂(lè)觀(guān)的，關(guān)于量子計(jì)算商業(yè)化的一切都才剛剛開(kāi)始。到目前為止，我們可能只發(fā)現(xiàn)了量子計(jì)算的冰山一角，無(wú)論量子計(jì)算的首個(gè)實(shí)際應(yīng)用是出于哪個(gè)科技企業(yè)，還是來(lái)自試圖應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的其他數(shù)據(jù)服務(wù)公司、銀行、制藥公司或制造商，這場(chǎng)關(guān)于量子計(jì)算的競(jìng)賽都已經(jīng)開(kāi)始。