文|陳根
自1982年物理學(xué)家理查德?費曼首次提出如何利用量子力學(xué)的特性來徹底改變計算以來，量子計算就成為人們最為看好的技術(shù)之一。擁有高出普通計算機數(shù)十甚至數(shù)百倍算力的量子計算機，是吸引了無數(shù)科技公司、大型學(xué)術(shù)團體以及各國政府的研究熱點。各公司，甚至各國都將注意力集中于量子計算系統(tǒng)遠超當(dāng)今“經(jīng)典”計算系統(tǒng)的優(yōu)勢，即實現(xiàn)所謂的“量子優(yōu)越性”。
然而，盡管谷歌在兩年前就宣稱已經(jīng)達到這一里程碑，但量子優(yōu)越性的實現(xiàn)并沒有解決一個經(jīng)典計算機不可能解決的實際問題，且IBM和其他公司很快表明，可以通過對經(jīng)典計算機進行調(diào)整來抵消谷歌量子計算系統(tǒng)的一些所謂優(yōu)勢。
自此，量子計算系統(tǒng)解決實際問題成為新的競爭方向——量子技術(shù)商業(yè)化受到越來越多的關(guān)注。IonQ首席執(zhí)行官彼得?查普曼預(yù)計，基于量子優(yōu)勢的首個實際應(yīng)用將正式開啟量子時代。但事實上，目前，科學(xué)家們、商業(yè)機構(gòu)都并沒有研制出可擴展的、商用級的量子計算機樣機。量子技術(shù)的商業(yè)化似乎仍舊遙遠。
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分支，而運用神秘的量子力學(xué)的量子計算，則超越了經(jīng)典牛頓物理學(xué)極限的特性，對于實現(xiàn)計算能力的指數(shù)級增長則成為科技界長期以來的夢想。
經(jīng)典計算機以比特（bit）作為存儲的信息單位，比特使用二進制，一個比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子計算機里，情況會變得完全不同，量子計算機以量子比特（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，量子計算機可以疊加所有可能的“0”和“1”組合，讓“1”和“0”的狀態(tài)同時存在。
也就是說，經(jīng)典計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進制數(shù)，而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個時，量子處理器對n個量子位執(zhí)行一個操作就相當(dāng)于對經(jīng)典位執(zhí)行2n個操作，這使得量子計算機的處理速度大大提升。與傳統(tǒng)計算機相比，量子計算機能夠?qū)崿F(xiàn)算力呈指數(shù)級規(guī)模拓展和爆發(fā)式增長，形成“量子優(yōu)越性”。
量子計算除了實現(xiàn)算力的提升外的另一核心優(yōu)勢，就是降低能耗。眾所周知，在經(jīng)典計算機中，能耗是一大技術(shù)難題。處理器對輸入兩串?dāng)?shù)據(jù)的異或操作，而輸出結(jié)果只有一組數(shù)據(jù)，計算之后數(shù)據(jù)量自然也會減少，根據(jù)能量守恒定律，消失的數(shù)據(jù)信號必然會產(chǎn)生熱量。
因此，經(jīng)典計算的集成度越高，散熱越困難。隨著摩爾定律漸近極限，以后的計算能力的提高只能依靠堆積更多的計算芯片，這將導(dǎo)致更大的能耗。
但量子計算中，輸入多少組數(shù)據(jù)輸出依舊是多少組數(shù)據(jù)，計算過程中數(shù)據(jù)量沒有改變，計算過程也就沒有能耗。這意味著，只有在最后測量的時候產(chǎn)生了能耗。而經(jīng)典計算在每一個比特的計算過程中都將產(chǎn)生能耗。
在提高算力和降低能耗的開源節(jié)流的核心優(yōu)勢下，量子計算必然是擺脫當(dāng)前計算機產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路徑與顛覆未來的新技術(shù)。
當(dāng)前，針對一些傳統(tǒng)行業(yè)來說，大量研發(fā)環(huán)節(jié)所面臨的計算壓力已經(jīng)顯現(xiàn)，尤其那些在分子領(lǐng)域進行研發(fā)的產(chǎn)業(yè)，以現(xiàn)有人類科技的計算能力，所消耗的時間和成本巨大，比如，生物制藥、化工、能源等；還有另外一些本就對計算能力要求較高的科技行業(yè)，亦是量子計算實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域，比如，搜索、數(shù)字安全、人工智能、機器學(xué)習(xí)以及當(dāng)前大火的元宇宙等。
毋庸置疑，如果沒有量子技術(shù)這種超運算的技術(shù)，這些產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域?qū)⒑茈y依靠當(dāng)前的芯片以及計算機運算技術(shù)來處理龐大的數(shù)據(jù)，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)超遠距、超高速、超安全的傳輸、計算與應(yīng)用。
以計算化學(xué)為例，模擬一種相對基礎(chǔ)的分子（如咖啡因）將需要一臺10的48次方比特的傳統(tǒng)計算機，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——這個數(shù)字比可觀測宇宙中的原子數(shù)量總和都要大。傳統(tǒng)計算機永遠無法處理這種任務(wù)，但在量子領(lǐng)域，這樣的計算則成為可能。
量子計算正吸金
當(dāng)前，量子計算越來越受到重視。作為打破摩爾定律、實現(xiàn)計算機算力指數(shù)級增長的新興技術(shù)，吸引了無數(shù)科技公司、大型學(xué)術(shù)團體為其投入。
事實上，盡管對量子計算行業(yè)未來的預(yù)測各不相同，但幾乎所有觀點都認(rèn)為其規(guī)模將是巨大的。正如量子信息跟蹤網(wǎng)站 “量子計算報告”的運營者道格·芬克（Doug Finke）所說：“我認(rèn)為量子計算的市場到2025年前后能達到10億美元，且可能在2030年前達到50-100億美元?！?nbsp;后者的價值相當(dāng)于今天高性能計算市場的10%-20%。根據(jù)霍尼韋爾（Honeywell）的估計，未來30年量子計算的價值可能達到1萬億美元。
基于量子計算的廣闊市場前景，也就不難理解為什么量子計算的商業(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)開始押注私人量子計算公司。Google、IBM、Honeywell 這樣體量的公司正在大量投資量子計算，包括自研、私募股權(quán)投資、合作等手段。最近的一份報告稱，僅2021年，就有超過10億美元的私人投資用于量子計算研究。
其中，大多數(shù)項目、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，投資量子計算的主體有很大特殊性，由于量子計算的超強計算能力、量子密碼構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)的加密性，“國家隊投資”在其中扮演了不可或缺的推動力量。
事實上，除了主流投資機構(gòu)、大型公司參與到了其中，類似美國DOE、CIA、NASA、加拿大 STDC、澳大利亞電信等“國家隊”角色起到了不小的助推作用。它們以捐贈、投資、孵化等形式推動量子計算的科研和商業(yè)化。例如谷歌的量子計算項目之一則涉及與 NASA 合作，將該技術(shù)的優(yōu)化能力應(yīng)用于太空旅行。
此外，美國政府準(zhǔn)備投入約12億美元到國家量子計劃（ NQI）項目中。該項目在2018年末正式啟動，為學(xué)術(shù)界和私營部門的量子信息科學(xué)研發(fā)提供總體框架。英國國家量子技術(shù)計劃（NQTP）于2013年啟動并承諾在10年內(nèi)投入10億英鎊，目前該計劃已進入第二階段。
對于我國來說，盡管我國科技公司相比美國進入量子計算領(lǐng)域時間較晚，但近年來行業(yè)領(lǐng)軍公司和科研院所也開始陸續(xù)在量子計算領(lǐng)域進行布局。2021年“兩會”期間，量子信息技術(shù)首次被提及，成為了中國面向“十四五”重點突圍的核心技術(shù)之一，同時也是“國家安全和全面發(fā)展”的七個戰(zhàn)略領(lǐng)域之一。
科技巨頭方面，騰訊于2017年進軍量子計算領(lǐng)域，提出用“ABC2.0”技術(shù)布局，即利用人工智能、機器人和量子計算，構(gòu)建面向未來的基礎(chǔ)設(shè)施。華為于2012年起開始從事量子計算的研究，量子計算作為華為中央研究院數(shù)據(jù)中心實驗室的重要研究領(lǐng)域，研究方向包括了量子計算軟件，量子算法與應(yīng)用等。阿里則通過建立實驗室進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，不論是科技公司、初創(chuàng)公司，都對量子計算寄予厚望且滿懷熱情。
技術(shù)需突破，規(guī)模難量產(chǎn)
量子計算的顛覆性是可預(yù)見的，但是，想要量子計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)化過程中時，該行業(yè)依然存在技術(shù)突破、規(guī)模量產(chǎn)難走的現(xiàn)實困境。
當(dāng)前，量子計算商業(yè)化仍停留在技術(shù)探索階段。盡管目前，量子計算已經(jīng)在理論與實驗層面取得了一些重大突破，包括美國、歐洲、中國在內(nèi)的一些國家，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)運用。但目前這些商業(yè)運用都還處于早期階段，或者說是處于技術(shù)的探索運用階段。
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)典計算機需要有增益的晶體管。但如何實現(xiàn)大規(guī)模和相干性則是量子計算機系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)。這些問題即使在理論上也是難以解決的，因為量子信息無法被復(fù)制，而量子計算機中的子系統(tǒng)相互糾纏，這導(dǎo)致所有設(shè)計都要以全局的角度來思考。
并且，目前還不完美的量子計算機還需要獲得更多改進。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。量子退火機器則需要在連接性，控制精度和相干時間方面得到改進。
從商業(yè)化角度來說，目前量子科技賽道的企業(yè)幾乎沒有實現(xiàn)累計盈利。由于技術(shù)壁壘較高，企業(yè)研發(fā)投入動輒高達數(shù)十億，產(chǎn)品卻依舊不斷試錯中，商業(yè)化難以開拓。以IonQ為例，作為一家專注于量子計算的獨角獸公司，根據(jù)該公司發(fā)布的財務(wù)數(shù)據(jù)，2019年、2020年，該公司實現(xiàn)收入20萬美元、0美元，而凈虧損分別為892.6萬美元、1542.4萬美元，商業(yè)化程度極低，投入資金大部分為研發(fā)費用。
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：“可能會有一些贏家，但也會有很多輸家，有些將倒閉，有些將被收購，有些將被合并?！?/p>
可以看劇，盡管目前的量子計算技術(shù)獲得了一系列的突破，也處于不斷突破的過程中，世界各國政府也都非常重視，并投入了大量的財力、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)化需要的是對技術(shù)穩(wěn)定性的要求，這與實驗性與小規(guī)模應(yīng)用有著本質(zhì)的區(qū)別。
目前量子計算技術(shù)面臨的核心問題還是在實證物理階段的困擾，在理論物理階段已經(jīng)基本成熟，但進入實證物理階段的時候，我們需要的是讓這個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，量子計算的未來是樂觀的，關(guān)于量子計算商業(yè)化的一切都才剛剛開始。到目前為止，我們可能只發(fā)現(xiàn)了量子計算的冰山一角，無論量子計算的首個實際應(yīng)用是出于哪個科技企業(yè)，還是來自試圖應(yīng)用這項技術(shù)的其他數(shù)據(jù)服務(wù)公司、銀行、制藥公司或制造商，這場關(guān)于量子計算的競賽都已經(jīng)開始。