“洞察力必須先于應(yīng)用。”——馬克斯·普朗克，量子物理學(xué)之父

量子計算的前景十分廣闊,它有助于更快地開發(fā)藥物，為金融領(lǐng)域建立更好的投資組合，并開啟密碼學(xué)的新時代。但這是否意味著量子計算將成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而傳統(tǒng)計算將被淘汰?

答案是否定的。傳統(tǒng)計算機具有量子計算機難以企及的獨特特質(zhì)，例如，存儲數(shù)據(jù)的能力是傳統(tǒng)計算機所獨有的，因為量子計算機的內(nèi)存最多只能持續(xù)幾百微秒。

此外，量子計算機需要保持在接近絕對零度的溫度，也就是零下270攝氏度(零下450華氏度)。普通用戶家中沒有這么強大的制冷功能，所以，量子計算機不太可能成為大多數(shù)家庭或企業(yè)的固定設(shè)備。

毫無疑問，量子計算將在未來十年內(nèi)改變許多行業(yè)，那么問題來了：哪些場景更適合量子計算機，哪些更適合傳統(tǒng)計算機?

量子計算機不會取代傳統(tǒng)計算機

量子計算20世紀80年代初就存在了，但直到2019年，谷歌才首次證明了量子計算機的優(yōu)勢，即量子計算機比傳統(tǒng)計算機快得多。40年過去了，目前全世界的量子設(shè)備加起來不超過40個。麥肯錫的報告顯示，到2030年，量子機器可能還不會超過5000臺。

量子計算與傳統(tǒng)計算有著本質(zhì)上的不同，它需要時間來開發(fā)、部署。

量子計算機無法像傳統(tǒng)計算機那樣給出直接的答案。傳統(tǒng)計算非常簡單：用戶提供輸入，算法對其進行處理，最后得到一個輸出。而量子計算采用一系列不同的輸入，然后返回一系列的可能性，用戶得到的不是一個直接的答案，是對不同答案可能性的估計。

在處理有許多不同輸入變量和復(fù)雜算法的問題時，傳統(tǒng)計算機通常會花費很長時間，而量子計算機可以縮小可能的輸入變量和問題解決方案的范圍，然后用這個范圍在傳統(tǒng)計算機上測試，最后得到答案。

因此，在未來幾十年中，傳統(tǒng)計算機仍將發(fā)揮作用。

量子計算技術(shù)的局限性

經(jīng)過四十年的研究，量子技術(shù)仍處于起步階段，目前仍然存在一些相當(dāng)棘手的問題。

量子計算機上的信息被存儲在量子位(qubit)中，傳統(tǒng)計算機使用0和1，量子計算機也是使用0跟1，但與之不同的是，其可以存儲和調(diào)用任何0與1的疊加態(tài)。因此，量子計算機可以獲得更高的信息密度，并以高于傳統(tǒng)計算機指數(shù)級的速度處理非常復(fù)雜的操作，同時消耗更少的能量。

隨之而來的問題是，要構(gòu)建具有許多量子位的量子計算機是非常困難的，我國擁有的76個光子的量子計算機“九章”是當(dāng)前全球最快的量子計算機。該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度地比2019年谷歌發(fā)布的53個超導(dǎo)比特量子計算原型機“懸鈴木”快100億倍。

另外，較大的量子機器往往具有較低的連通性，量子位之間不能很好地相互通信，這種連接性的缺乏會降低系統(tǒng)的整體計算能力。

最后，量子機器很容易出錯。這些計算錯誤是量子系統(tǒng)固有的，本身無法避免。這就是為什么要投入大量的資本和人力到量子錯誤檢測中，以開發(fā)出能夠自查錯誤并加以糾正的機器。盡管目前這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的進步，但是量子誤差不可能完全消失，即使使用高度精確的量子計算機，仍然有必要用傳統(tǒng)計算機驗證最終結(jié)果。

布局量子未來

量子計算市場預(yù)計將從2019年的5.071億美元增長到2030年的649.8億美元，在預(yù)測期間(2020-2030年)以56.0%的復(fù)合年增長率增長。根據(jù) CIR的估計，到2027年，量子計算的收入將達到80億美元。

如今，各國以及一些科技巨頭正致力于量子計算，在研發(fā)上投入了大量資金，開展跨行業(yè)的各種項目。

國家

我國一直處于量子計算的最前沿，2016年就發(fā)射了第一顆量子衛(wèi)星。2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，這一突破使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

美國、德國、俄羅斯、印度和歐盟也加大了對量子計算的投入。特朗普根據(jù)2018年底簽署成為法律的《國家量子倡議法案》，于2019年成立了國家量子計劃咨詢委員會，該法案授權(quán)在未來5年斥資12億美元用于量子科學(xué)。

印度政府在其2020年預(yù)算中宣布了一項國家量子技術(shù)與應(yīng)用國家計劃，其五年期間的總預(yù)算支出為800億印度盧比(約11.2億美元)，而歐洲有一項10億歐元的計劃，為未來十年的整個量子價值鏈提供資金。

公司

• 加拿大量子計算公司D-Wave于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”，2019年2月，D-Wave宣布了其下一代量子計算平臺的預(yù)覽，整合了硬件、軟件和工具，以加速和簡化量子計算應(yīng)用程序的交付。

• IBM一直是量子計算領(lǐng)域的先驅(qū)之一，在2019年1月，IBM推出了IBM Q System One，這是世界上第一個專為科學(xué)和商業(yè)用途設(shè)計的集成式通用近似量子計算系統(tǒng)。2020年9月，IBM在紐約開設(shè)了量子計算中心，將其量子計算系統(tǒng)擴展到商業(yè)和研究活動。IBM最近還投資了劍橋量子計算公司，后者是2018年首批加入IBM Q網(wǎng)絡(luò)的初創(chuàng)公司之一。

• 2019年10月，谷歌宣布實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，其量子計算機在3分20秒內(nèi)解決了當(dāng)時世界上最強大的超級計算機“Summit”需要1萬年才能計算出來的問題?！傲孔影詸?quán)”一詞由John Preskill于2012年提出，它的英文名是“quantum supremacy”，意為“優(yōu)越性”。

• 亞馬遜于2019年末推出了Amazon Braket服務(wù)，旨在讓其用戶獲得有關(guān)量子位和量子電路的實際操作經(jīng)驗。它允許在模擬環(huán)境中構(gòu)建和測試電路，然后在實際的量子計算機上運行它們。

• 英特爾也于2019年推出了首款同類產(chǎn)品的低溫控制芯片，代號為“Horse Ridge”，它將加速全棧量子計算系統(tǒng)的開發(fā)。

• 華為早在2012年就開始研究量子計算機，2018年量子計算模擬器HiQ云服務(wù)平臺問世，平臺包括HiQ量子計算模擬器與基于模擬器開發(fā)的HiQ量子編程框架兩個部分，可模擬全振幅42量子比特以上。

• 2020年9月，百度研究院量子計算研究所所長發(fā)布了百度量子平臺，展示了百度用量脈+量槳+量易伏賦能新基建、追逐“人人皆可量子”的愿景。百度量子平臺提供了連接頂層解決方案和底層硬件基礎(chǔ)所需的大量軟件工具以及接口。

• 同年12月，阿里巴巴發(fā)布阿里云量子開發(fā)平臺，開源自研量子計算模擬器“太章2.0”及一系列量子應(yīng)用案例。這將有力地支持從業(yè)人員設(shè)計量子硬件，測試量子算法，并探索其在材料、分子發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化問題和機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

• 此外，微軟、騰訊、諾基亞、惠普、AT&T、SK Telecom等公司也都在研究和致力于量子計算的應(yīng)用。

雖然量子計算尚未成為主流，也不會主宰世界，但是通過與傳統(tǒng)計算機的全面協(xié)作，它將在未來十年或二十年內(nèi)產(chǎn)生重大影響。