2021年01月20日 | 耶鲁大学教授详解：量子计算会成变革IC产业的重要力量吗

研制量子计算机迈出的第一步是在大学黑板上进行的大量深奥的数学运算。据粗略统计，包括美国、英国、中国和德国在内的各国政府合计已投入数十亿美元以推进量子研究。如今这项已经发展几十年的技术终于成为了一个商业命题。

2020年是后“量子霸权”（或称“量子优越性”）元年，世界对量子计算的投入持续上涨，技术和生态蓬勃发展，多个平台异彩缤纷。2020年12月，中国的76个光子的量子计算原型机“九章”的问世，让中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

在这一浪潮将在2021年继续推高社会的关注和期待，但接下去量子计算的研究需要证明自身的使用价值。

那么量子计算到底有哪些“非凡”之处？量子计算能不能成为IC产业革命性的重要力量？相关的研究和应用处于怎样的阶段？集微网日前独家连线专访了耶鲁大学应用物理教授Steven Girvin。Steven Girvin研究量子力学多年，2020年开始任美国布鲁克黑文国家实验室C2QA量子优势联合设计中心负责人，布鲁克黑文是今年美国国家科学基金会和能源部拨款资助的五个量子研究院之一。

量子计算VS传统计算

所谓量子计算，简单来说，就是依据量子物理定律来处理信息的新型计算方式。Girvin对集微网指出，量子物理始于一个世纪以前，发展成熟但一直变化不大。直到近几十年来，学界和产业界才逐步意识到量子技术有尚未被发掘的强大力量。

Girvin进一步解释，普通的电脑使用二进制数，0和1是基本算符，每个数字称为一个位元（二进制位，或称比特）。但了解了量子力学和不确定性原理之后，就会发现量子系统的单位能够处在不确定状态中。“而这一发现的真正意义在于，（利用量子力学的特性）可以使电脑它真正的意义是电脑能同时进行多线运算，即能同时考虑到位元是0和位元是1时的两种情况。而当这一能力延申到多个位元上，也就是量子位元，计算机能同时做的事就会呈指数增长，如此就能做到现有的传统电脑不可能完成的某些计算任务。”Girvin指出。

简而言之，利用量子力学的反直觉特性，可以大幅加速某些类型的计算。这让量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如机器学习，密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现指数级别的加速。

“当问题越来越复杂，数据库越来越大，或者变量越来越多时，在传统电脑上执行这种计算的难度系数就会指数增长，难以执行。而这种难度在量子计算机上增长得会慢一些。”Girvin指出量子计算的长远潜能。

以机器学习为例，关于机器学习的一种思考方式是将其视作优化问题，即计算机试图在数百万个变量之间折中取舍，以求出误差尽可能小的解。而量子计算机则有望大大提高计算速度，从而在优化问题中的表现远胜过普通电脑。

“量子计算机还处于普通电脑1940年的阶段”

那么目前学术方面量子计算的研究到哪一步了呢？对此，Girvin的结论是，尽管领域每天都会有很多进展，以求做出更大更有用的量子计算机，但是技术上还没有准备好，“我们仍处于第二次量子革命的初级阶段。”

Girvin说，目前人类在量子世界中的研究进展相当于“刚刚做出了真空管，或者刚刚发明算盘、晶体管这样的阶段”。

“这个阶段相当于普通电脑在1940年的时候，非常初级，非常简单，只有少量的量子位元。”Girvin指出，目前的量子计算机虽然已经有一些应用，人们已经能从网上接入量子计算机，在上面简单地编码实验，但总体上仍处于研究阶段，还谈不上有经济价值。

而对于量子计算的能力，全球的研究也尚处于很初级的阶段。Girvin指出，过去二十年来，一个巨大的进步是量子位元保留信息的时间增长了一百万倍。

“二十年前，第一批量子位元面世时，几乎无法储存信息，大概只能记住一纳秒。现在的技术能保留信息一毫秒了。”Girvin称，这是一个了不得的进步，也是做出更复杂电路的前提。

他进一步解释，事实上，量子位元能同时处于0和1的叠加状态这一特性，既是优点也是缺点。缺点是这种叠加状态对外界环境的噪音、摄动和干扰极度敏感，因此需要设计更稳定的量子位元，要能更长时间地保持量子状态才能做出更复杂的电路，才能在运行大型算法时保持量子计算的优势。Girvin介绍，这也是为什么目前在他所在的量子研究院，主要在研究超导量子位元和超导微波电路的重要原因。

Girvin指出，当前研究的最大挑战之一就是量子纠错，或者设计容错率高的电路，这其中的关键是需要大量量子位元，因为尽管每一个位元都是不完美的，但是整个集合能完成近乎完美的运算。“理论上这是可以完成的，但我们仍处在探索的初级阶段，在练习，在实验。”

此外，基于量子计算的算法和全新编程方式的空白，是另一大研究挑战。Girvin说，这就像1940年在初代电脑上用真空管进行编程时，有大量的电线要插到配线架上，有很多部分需要连接起来，其过程繁琐冗杂，当时的程序员都饱受硬件编程之苦。直到数学家约翰·冯·诺伊曼和他的合作者们发明了冯·诺伊曼结构——一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。Girvin认为，目前在量子计算的研究上，也正在经历着这方面的同比，并进入一个寻求优化方案的时代。

各国的量子角逐赛

尽管关于量子计算的研究尚有诸多挑战，但研制量子计算机已成为世界各个大国角逐的焦点。

为什么量子计算领域的竞争这么重要?对此，Girvin认为，量子技术将给各国经济和国家安全方面带来重要影响力，尽管具体潜力还不清楚，但很有可能是“如同第三次工业革命一般的变化”。

在量子计算未来可能的重要应用中，IC设计领域可望得到受益。Girvin指出，芯片设计上有大量优化步骤，需要在芯片上定位处理器的不同部分，在这其中绕线连接，还有成千上万的约束元件，线路不能太多太长等，这一切都必须依赖计算机来计算。

另外，很重要的一点，量子计算也被众多科学家们视作突破当前已经趋于枯竭的摩尔定律的一项新希望。

由人工智能等一系列前沿应用引发的对计算能力的需求不断激增，这让摩尔定律和冯诺依曼架构的瓶颈日益凸显。在过去50年里，传统数字计算机的性能按照摩尔定律一路提升——集成电路（微芯片）的容量大约每18-24个月翻一番。如今，数字计算机性能的发展速度似乎正在放慢，冯诺依曼计算架构不断抵近极限，即内存的读取速度和芯片的处理速度渐渐难以实现同步。所以寻找新的替代方案变得尤为重要。

Girvin介绍，每个国家关注的量子计算领域也有所不同，不过主要集中在量子信息处理（或者量子计算）、量子沟通以及量子传感三个领域，而三个领域又是紧密相连的。除了已经谈论颇多的量子计算外，量子沟通研究在量子力学范围内最大限度地精确测量微小信号；量子传感可用于探测微小的无线电信号，射电天文学者或工程师用来探测微小磁场，药物研发、基础科学和工程中也有很多应用。

“每个国家都会对这三个领域有所涉猎，只是投资水平不同。近年来中国在量子沟通上下了很多功夫，量子计算也是。”Girvin说。

前不久问世的中国的76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。标志着中国成为全球第二个实现“量子优越性”（国外也称之为“量子霸权”）的国家。

此外，欧洲也在量子沟通上大量投入，包括超导量子位元和冷原子。美国正在开始研究量子沟通，关注的也是超导量子位元和量子沟通。Girvin领导的其中一个美国国家量子研究院，更多地关注短距离沟通，将模组和电脑群连接在一起。

Girvin解释，量子计算有很多平台，包括超导量子位元、光学、原子等等，所有能用于承载量子信息的物理对象都能成为平台。另外也有其他的研究中心专注于量子材料的研究。

何时实现商业化价值？

近期，风险资本开始流入围绕量子计算的公司。投资者开始在这项常处于初期的技术上大胆下注，他们认为，即使目前量子计算机尚规模有限、易出错、不稳定，也可能被证明具备商业用途。

不过，Girvin提醒，现在要说量子计算机能有效解决什么问题还为时过早。他指出，学术领域和在资本领域对此说法略有不同，“资本或许会夸大量子的可能性，而我们并不知道这些承诺是否能兑现。总而言之，大型量子计算机能够解决很多有趣的难题，但并不是所有问题。有些问题还是需要启发性实验设计，寻求可用但或许并不完美的解决方案。”Girvin对量子技术的发展阶段保持怀疑态度，但他表示即便当前量子计算仍处于早期发展阶段，他对此的前景也很乐观。

“从晶体管的发明开始，人类用了50年时间才发展到现在的超级电脑。所以量子计算机的大规模生产使用也可能要50年。”Girvin指出，不过鉴于现在很多人对这个领域的发展倾注精力，他认为十年左右有望看到量子计算的重大突破，甚至看到具有经济价值的量子计算机，而大概五年之后，能做出容纳更多量子位元、储存时间更长的量子计算机来进行更复杂的运算，解决科学上的难题。

但Girvin同时强调，未来往往是不可预测的。一般来说研发新技术新工程时总会高估短期成果，而低估其长期可能带来的颠覆影响，因而Girvin认为，当前我们还不知道量子力学的全部应用，正如发明晶体管的人也不知道它会被用来播放音乐，不知道激光会被用来传输音乐。“这些技术和器件最终真正的使用方式会令其研发者大吃一惊。”量子计算机在未来将带来的惊喜也同样如此。

结语：

尽管那些“跑最后几公里的人”往往备受瞩目——他们把新兴技术拿来，试图创立长久有利可图的业务。但应当记住的是，量子计算走到今天，有赖于成千上万数学家、实验物理学家和工程师的努力。而这种进步和创新也绝非是单一技术的突破，事实上，量子计算的进步倚赖的是激光刀低温学等其他几十个领域的进步。而如若我们想要看到更多这类的成功，就应当记住，大量没那么光鲜的工作必须有人去身先士卒。