產業化提速 量子計算“可望又可及”

文／本刊記者 陳杰

“隨著數字化、網絡化、智能化深入發展，計算能力已經成為核心競爭力。量子計算將為提升后摩爾時代計算能力提供一種全新的解決方案。”8月25日，中國科學院院士、中國科學院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心主任潘建偉在2022量子開發者大會上說，量子計算距離實用化和產業化還有較長的路要走，這一過程需要政產學研用各方面的積極參與和密切配合。

近年來，量子信息技術的相關研究呈加速發展的趨勢，包括我國在內，全球超過40多個國家制定了量子規劃，量子科技前沿的競爭熱度在不斷升溫。

技術研究方興未艾

量子信息技術主要包括量子計算、量子通訊與量子精密測量，核心是量子計算。

量子計算是按照既定的算法和程序對量子態進行操控的過程。與經典計算機不同，量子計算的算力比特的數目不是線性增加，而是指數增加，每增加一個量子比特，算力就會增加1倍。可以預見，量子計算的這種指數加速作用一旦實現，必將帶來信息處理的革命性變革。

“量子計算的想法始于解決物理和化學中出現的量子問題需要，但是量子計算不僅能解決科學研究中的問題，也能解決所有與信息處理相關的工程、技術與應用問題。”中國科學院院士向濤介紹說，從人工智能、破譯密碼、生物制藥、化學合成、物流及交通控制、天氣預報、數據搜索、材料基因到金融安全與問題，但凡需要數據處理和計算的地方，都是量子計算可以發揮作用的地方，量子信息技術的觸角將會深入到信息處理的每一個角落。

近年來，我國企業對量子計算的關注和投入也在不斷增加，如百度、阿里巴巴、騰訊、華為等頭部企業都布局了相關研發，對我國量子計算的發展形成了巨大推動。

此次量子開發者大會上，百度量子計算研究所發布其首臺“產業級”超導量子計算機——乾始，以及全平臺量子軟硬一體化解決方案——量羲。

“隨著關鍵技術的持續突破，量子計算技術將走出實驗室，應用于人工智能，材料科學、生物計算等科技領域及相關產業，促進融合創新，加快經濟社會高質量發展。”百度首席技術官王海峰表示，“乾始”和“量羲”的發布，標志著量子應用、量子軟件、量子硬件的全流程已經被打通，可以為用戶提供企業級量子即服務，讓量子算力觸手可及。

生態建設是產業化落地的基礎

“量子計算產業化是發揮量子價值的重要方式。”王海峰說，將量子硬件轉化為量子服務是充滿挑戰的工作，其中涉及大量的科學和工程創新，需要軟硬件各方面的人才與技術協同配合。

從被各界寄予厚望的量子計算機來看，其產業化就是一個復雜而系統的工程。

中國科學院院士薛其坤介紹說，實用化量子計算機從研發進程分為研制、驗證和應用三個階段。研制即“從0到1”，這個階段適合在高校和科研單位完成；驗證即“從1到10”，需要發現問題、解決問題、驗證穩定性，為應用做準備，這個過程適合在新型研發機構或者專門的研究院來完成；應用則是“從10到100”，是走向市場化的關鍵過程，這個階段的主體是企業。

量子計算機的研發，需要不同單位、不同學科的交叉融合。當前，量子科技的發展正逐步面向產業化的關鍵時期，需要一個良好的量子發展生態來維持、保障和促進量子計算產學研深度融合和協同創新，從而提高基礎研究向實用化和工程化轉化的速度和效率。

薛其坤認為，從某種意義上講，量子計算機的競爭歸根到底是發展生態的競爭。量子生態的長遠發展起關鍵作用的是量子科技工作者和量子開發者。“只有加強兩者在多學科的交叉融合和多技術領域的集成創新，打造良好的量子生態，形成體系化能力，才能提高量子科技的硬實力和競爭力。”

潘建偉則強調，目前國內在量子信息技術上出現了一些炒作概念、蜂擁而上的狀況，尤其對量子計算的應用進行了某些超出實際、不切實際的宣傳，對公眾和投資者造成了一定的誤導。“從長遠來講，這些會對量子計算整個領域的健康發展帶來不利影響。因此無論是學術界還是產業界，都有責任本著實事求是、厚積薄發的態度，共同為新興技術營造一個可持續的發展環境。”

未來20年是產業發展關鍵期

“在量子計算、量子通信方面，國內的量子產業已經有了很好的發展。”中國科學院院士陸汝鈐認為，但需要注意的是，這并不是我國量子產業的全部，量子計算未來要真正承擔起國家的重大計算任務，真正在涉及國計民生的重大計算問題上體現出量子優越性。

在目前階段，實驗室能夠制備的量子比特的壽命或者相關時間還非常短。向濤坦言，北京量子信息科學研究院去年把單個超導量子比特對相關時間提高到了5.03微秒，這是世界目前最高水平，但是也遠未達到要實現量子計算指數加速的要求。

學術界把量子計算分為三個發展階段：第一階段的目標是實現量子計算優越性，即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機；第二階段的目標是實現專用的量子模擬機，可以應用于組合優化量子化學、機器學習等特定問題，來指導材料設計、藥物開發等；第三階段是在實現量子糾錯的基礎上，構建可編程通用量子計算機。

潘建偉說，對于第一階段目標，中國、美國和加拿大等國家已先后實現；第二階段目標按照目前的技術發展，估計還需要5到10年，這是當前學術界主要的研究任務；至于第三階段的目標，由于技術上的難度，何時實現通用量子計算機尚未明確，學術界一般認為還需要15年至20年，甚至更長時間。

量子計算未來的發展趨勢將呈現規模化、容錯化和集成化的趨勢。向濤展望說：“到2040年左右，產業應該能實現對多個邏輯量子比特和普適量子計算機邏輯門的相關操控，并且在這個基礎上制備出‘樸實’的量子計算機。到那時，量子信息技術及應用將全面進入高速發展階段，也將成為人類征服自然的一個新的里程碑。”