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從精密的藥物研發(fā)到搜索算法，在許多重要問(wèn)題上，量子計(jì)算機(jī)都有望勝過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。然而，設(shè)計(jì)一種可以在實(shí)際環(huán)境中制造和運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)是頗具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程。
各大巨頭將量子計(jì)算研究推向高潮
目前量子計(jì)算和量子通信等最前沿的量子信息技術(shù)，成為當(dāng)下科技界和工業(yè)界追捧的大熱點(diǎn)，在全球的大型科技公司中，包括谷歌、IBM、英特爾、微軟、阿里巴巴在內(nèi)的企業(yè)已投資數(shù)億美元開(kāi)發(fā)量子計(jì)算，更是將量子計(jì)算機(jī)的研究和競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)推向高潮。
谷歌在量子人工智能實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)著一臺(tái) D-Wave 量子計(jì)算機(jī)。該實(shí)驗(yàn)室由美國(guó)國(guó)家航空航天局和加州山景城 NASA 艾姆斯研究中心的大學(xué)空間研究協(xié)會(huì)共同創(chuàng)建。在 2018 年，谷歌宣布它已經(jīng)建立了一個(gè)新的量子處理器，代號(hào)為 Bristlecone。這款 72 比特的設(shè)備在谷歌此前最好的 9 量子比特機(jī)器取得了重大進(jìn)步。在 2019 年初，谷歌在舊金山舉行的 IEEE 國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議上展示了為量子計(jì)算定制的電路。
IBM 推出了一款名為“IBM Q System One”的 20 比特量子計(jì)算系統(tǒng)，用戶(hù)可以通過(guò)云端訪問(wèn)該系統(tǒng)，并宣布為?？松梨诤蜌W洲核子研究中心提供量子服務(wù)。IBM 全球副總裁 Norishige Morimoto 最近表示 IBM 將在五年內(nèi)將量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化。
英特爾：在 2019 年 3 月，宣布了一種量子計(jì)算機(jī)測(cè)試工具，該工具允許研究人員驗(yàn)證量子芯片可靠性晶圓并檢查量子比特在構(gòu)建成全量子處理器之前是否正常工作。對(duì)于量子計(jì)算研究人員而言，這可能是一項(xiàng)重要的節(jié)省成本和時(shí)間的技術(shù)，也是量子處理器大批量生產(chǎn)的一個(gè)步驟。
微軟在 2017 年底，微軟宣布推出量子開(kāi)發(fā)套件一種名為 Q＃的編程框架和語(yǔ)言，供尋求為量子計(jì)算機(jī)編寫(xiě)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)人員使用。2019 年 2 月，微軟推出了微軟量子網(wǎng)絡(luò)一個(gè)致力于量子應(yīng)用和硬件的機(jī)構(gòu)和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)。微軟表示其量子開(kāi)發(fā)套件已被下載 100,000 次，并且它將開(kāi)源其 Q＃語(yǔ)言，編譯器和量子模擬器。
阿里巴巴旗下阿里云和中國(guó)科學(xué)院在上海建立了一個(gè)名為阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的研究機(jī)構(gòu)。該實(shí)驗(yàn)室研究各個(gè)領(lǐng)域的量子計(jì)算應(yīng)用，包括人工智能和電子商務(wù)和數(shù)據(jù)中心的安全性。2018 年 2 月，阿里云推出了具有 11 個(gè)量子比特的量子計(jì)算云服務(wù)。
量子計(jì)算得到進(jìn)一步發(fā)展
2020 年 4 月 15 日，英特爾與代爾夫特理工大學(xué)和荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究會(huì)合作創(chuàng)立的 QuTech 公司共同在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，證明了在高于 1 開(kāi)氏度下，能夠成功控制“高溫”量子位。一直以來(lái)，溫度是困擾量子計(jì)算平臺(tái)得到大規(guī)模應(yīng)用的難題之一。研究團(tuán)隊(duì)都將研究重點(diǎn)放在熱量子比特技術(shù)，添加到系統(tǒng)中的每個(gè)量子比特對(duì)都會(huì)增加產(chǎn)生的總熱量，并且增加的熱量會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，所以量子計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)接近絕對(duì)零度。
而在新的研究成果表面，在溫度高于 1K（零下 272.15℃）的硅基量子計(jì)算平臺(tái)上，系統(tǒng)可以正常運(yùn)作。這一突破突顯出對(duì)未來(lái)量子系統(tǒng)和硅自旋量子位進(jìn)行低溫控制的潛力。一般來(lái)說(shuō)，除非將量子位冷卻到接近絕對(duì)零度（-273 攝氏度，或 0 開(kāi)氏度），否則量子位中存儲(chǔ)的量子信息通常很快就會(huì)丟失。
隨著這項(xiàng)研究的開(kāi)展，硅能把超過(guò) 1K 溫度下正常運(yùn)作的材料很好地與周?chē)镔|(zhì)隔離開(kāi)，因此研究都將電子在硅中的自旋作為量子比特。在這種極低的溫度下，制冷設(shè)備強(qiáng)大到可以允許引入局域電子來(lái)校正量子比特。
英特爾與研究團(tuán)隊(duì)的研發(fā)硅自旋量子位
英特爾和 QuTech 在研究中也證明了能夠控制雙量子位系統(tǒng)電子自旋的能力，并測(cè)量出單量子位保真度高達(dá) 99.3%，且可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)整。并且在 45 毫開(kāi)氏度到 1.25 開(kāi)氏度的溫度范圍內(nèi)，自旋量子位的性能受影響最小，從而向量子計(jì)算的可擴(kuò)展性邁出了一步。
自旋量子位制造流程，基于 300 毫米工藝技術(shù)，使用的是同位素純晶圓。硅自旋量子位是英特爾實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的路徑，這個(gè)路徑非常適合使用英特爾現(xiàn)在的一整套硅半導(dǎo)體工藝，發(fā)揮出英特爾的優(yōu)勢(shì)。英特爾已經(jīng)可以在 12 寸的晶圓上制造出兩個(gè)硅自旋量子位，然后控制它們進(jìn)行糾纏。
硅自旋量子位的優(yōu)勢(shì)是可以利用具體粒子做量子位，實(shí)現(xiàn)起來(lái)體積更小，更適合構(gòu)造大型量子計(jì)算系統(tǒng)。?利用硅自旋量子推進(jìn)量子計(jì)算，讓英特爾能夠利用在先進(jìn)封裝和互連技術(shù)方面的專(zhuān)業(yè)性，為實(shí)現(xiàn)量子實(shí)用性開(kāi)辟一條可擴(kuò)展的道路。
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量子計(jì)算高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)
①量子模擬（Quantum simulation），量子計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜分子進(jìn)行建模模擬；
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②優(yōu)化（Optimization）,即以前所未有的速度解決多變量問(wèn)題；
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③量子人工智能（AI），具有更好的算法，可以改變制藥和汽車(chē)等行業(yè)的機(jī)器學(xué)習(xí)；
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④素因數(shù)分解（The prime factorization），這可能會(huì)徹底改變以往的加密技術(shù)。
量子計(jì)算發(fā)展難點(diǎn)
物理量子比特的不穩(wěn)定性
量子比特的不穩(wěn)定性與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特不同，量子比特可以表示 0 和 1 的組合疊加狀態(tài)（疊加態(tài)），但是在物理環(huán)境下，其疊加狀態(tài)并不穩(wěn)定。因此，要確保量子計(jì)算機(jī)芯片上的某個(gè)位不干擾該芯片上的任何其他位，那就需要做大量的輔助工作。
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數(shù)學(xué)問(wèn)題障礙大
從初創(chuàng)公司到研究機(jī)構(gòu)，再到 Google、IBM 和 Microsoft 之類(lèi)的軟、硬件公司，都在努力克服這一數(shù)學(xué)問(wèn)題障礙。量子計(jì)算作為一種概念早在 1980 年代就已經(jīng)存在，但直到 2019 年 9 月，Google 才宣布其量子計(jì)算機(jī)僅用 2 分 30 秒就解決了傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要耗時(shí) 10000 年才能解決的問(wèn)題時(shí)，量子計(jì)算機(jī)才首次用事實(shí)證明。?
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未來(lái)量子計(jì)算應(yīng)用前景
通過(guò)模擬仿真縮短化學(xué)藥品開(kāi)發(fā)的時(shí)間
尋求開(kāi)發(fā)新藥物和新物質(zhì)的科學(xué)家經(jīng)常需要了解分子的精確結(jié)構(gòu)，以確定其特性，并了解其如何與其他分子相互作用。但即使相對(duì)較小的分子也很難用經(jīng)典計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確地建模，因?yàn)槊總€(gè)原子都在以復(fù)雜的方式與其他原子相互作用。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)幾乎不可能精確模擬哪怕較少原子數(shù)目的基本分子。
而量子計(jì)算機(jī)其物理本質(zhì)上就非常適合解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榉肿觾?nèi)原子的相互作用本身就是一個(gè)量子系統(tǒng)。而專(zhuān)家認(rèn)為，實(shí)際上量子計(jì)算機(jī)甚至可以對(duì)人體中最復(fù)雜的分子進(jìn)行建模。因此在這個(gè)方向上的每一點(diǎn)進(jìn)展都將推動(dòng)新藥和其他產(chǎn)品的更快發(fā)展，并有可能帶來(lái)變革性的新療法。
顛覆性的速度，解決優(yōu)化問(wèn)題
在每個(gè)行業(yè)中，許多復(fù)雜的業(yè)務(wù)問(wèn)題都涉及諸多變量。如果用經(jīng)典計(jì)算解決如上這些問(wèn)題，這將非常艱巨。為了獨(dú)立驅(qū)動(dòng)性能提升或損失的輸入，必須嚴(yán)格限制在任一計(jì)算中其可變動(dòng)的變量數(shù)量。因此在任何計(jì)算中可變動(dòng)的變量數(shù)量必須受到嚴(yán)格限制，但經(jīng)典計(jì)算代價(jià)高且耗時(shí)長(zhǎng)。
由于量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處理多個(gè)變量，使得它們可以在很短的時(shí)間內(nèi)顯著地縮小可能的答案范圍。這樣一來(lái)，經(jīng)典計(jì)算就可以在一個(gè)很小的范圍內(nèi)得到確切的結(jié)果。盡管如此，與量子計(jì)算相比，它的工作效率仍然很慢。由于量子技術(shù)消除了很多可能性，因此這種混合方法將大大縮短尋找最佳解決方案所需的時(shí)間。
量子人工智能加速自動(dòng)駕駛的研發(fā)
量子計(jì)算機(jī)有可能加速自動(dòng)駕駛汽車(chē)時(shí)代的快速到來(lái)。在福特、通用汽車(chē)、大眾汽車(chē)和其他汽車(chē)制造商以及新移動(dòng)領(lǐng)域的眾多初創(chuàng)企業(yè)中，工程師們通過(guò)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)時(shí)間地來(lái)處理視頻、圖像和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。使用人工智能教會(huì)汽車(chē)做出關(guān)鍵的駕駛策略，這種方式訓(xùn)練人工智能算法需要一系列密集型的計(jì)算，隨著數(shù)據(jù)的增加，以及變量之間更復(fù)雜的關(guān)系的增加，使得計(jì)算變得越來(lái)越困難。這樣的訓(xùn)練需求可能會(huì)使世界上最快的計(jì)算機(jī)連續(xù)工作數(shù)天甚至數(shù)月。
而由于量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)變量的復(fù)雜計(jì)算，因此它們可以指數(shù)級(jí)地加速這類(lèi)人工智能系統(tǒng)的訓(xùn)練。
結(jié)尾
量子計(jì)算的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)一場(chǎng)大的科技革命，就目前而言全球的科技公司的量子計(jì)算成果來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算的發(fā)展是有目可睹的，相信在不久的未來(lái)，困難點(diǎn)都會(huì)隨著科技的不斷發(fā)展逐漸完善。
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