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整理 | 蔣寶尚
2019年是量子計算占據(jù)新聞熱點版面的一年，從1月份IBM公布全球首款商用量子計算原型機到9月份谷歌宣告在全球首次實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。
這一年在量子計算的歷史上將具有里程碑的意義，因為它意味著量子計算的時代將會到來。
量子計算離我們到底還有多遠(yuǎn)？實現(xiàn)大規(guī)模的商用還需要多長時間？當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)處在什么時代？
3月28日，在CCF YOCSEF總部AC委員、總部侯任學(xué)術(shù)秘書、北京交通大學(xué)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全研究中心主任陶耀東，CCF YOCSEF 總部AC委員、北京交通大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院教授王偉主持下，CCF YOCSEF（中國計算機學(xué)會青年計算機科技論壇）舉辦了“量子計算機離我們還有多遠(yuǎn)？”線上論壇，針對此主題，來自合肥本源量子計算科技有限責(zé)任公司的張輝博士做了“量子計算機的發(fā)展概況與應(yīng)用前景”的報告。來自騰訊量子實驗室的鄭亞銳博士做了“實現(xiàn)量子計算，我們還需要做些什么？”的報告，清華大學(xué)終身副教授Kihwan Kim（金奇奐）做了“Quantum Computation with Trapped Ions”的報告。
另外，中山大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與計算機學(xué)院李綠周教授，國防科技大學(xué)強曉剛博士作為特邀嘉賓也進(jìn)行了發(fā)言。天津理工大學(xué)教授羅訓(xùn)、人民郵電出版社高級策劃編輯賀瑞君擔(dān)任線上主席。
AI科技評論對報告“量子計算機的發(fā)展概況與應(yīng)用前景”的整理已經(jīng)發(fā)布，現(xiàn)在騰訊量子實驗室鄭亞銳博士“實現(xiàn)量子計算，我們還需要做些什么？”的報告也已經(jīng)整理完畢，現(xiàn)在發(fā)布，請欣賞~
鄭亞銳：博士畢業(yè)于中國科學(xué)院物理研究所。主要研究領(lǐng)域為超導(dǎo)量子計算。在超導(dǎo)量子芯片的設(shè)計與仿真，量子芯片的微加工制作，高精度量子比特控制，高精度量子比特讀取，量子耦合器，雜化量子系統(tǒng)等方面有著多年的研究經(jīng)驗。目前是騰訊量子實驗室的硬件負(fù)責(zé)人，致力于推動量子技術(shù)的發(fā)展與落地。
在報告中，鄭亞銳博士介紹了量子比特的測控精度、量子糾錯和NISQ等量子計算機開發(fā)關(guān)鍵問題，并在量子領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展等方面分享了他的觀點。
鄭亞銳博士認(rèn)為量子計算至少需要十年才可能真正實現(xiàn)有價值的商業(yè)落地，谷歌宣稱要在10年之內(nèi)實現(xiàn)100萬個量子比特其實有些激進(jìn)，但是考慮到谷歌的強大實力，也不排除10年內(nèi)實現(xiàn)的可能性。在2018年，IBM宣稱他們的“Quantum volume”可以每年翻一倍，Quantum volume相當(dāng)于量子比特的有效比特位數(shù)，每年一倍的任務(wù)對比谷歌十年100萬個比特非常接近。霍尼韋爾每年提升十倍性能的宣傳比谷歌、IBM更加激進(jìn)，如果以十年的維度來計算，霍尼韋爾大概是100億倍的性能提升，這就有些過分宣傳。
經(jīng)典計算機用高低電壓代表0、1進(jìn)行計算，在量子比特里面，則用量子態(tài)計算。量子比特本身遵循量子力學(xué)的疊加原理，1個量子比特可以處于0和1的疊加態(tài)上，N個量子比特實際上可以處于2^N個量子疊加態(tài)上。
所以，量子態(tài)的數(shù)量和量子比特數(shù)量呈指數(shù)增長關(guān)系。在1980年，費曼教授就提出疑問：隨著量子比特數(shù)量的增長，其復(fù)雜度呈指數(shù)增長，是否可以直接利用量子力學(xué)計算量子力學(xué)的一些問題？量子計算的概念從那個時候起慢慢發(fā)展成了一個比較系統(tǒng)的學(xué)科。
如何做一個量子計算機呢？有三個要求，首先要有量子比特；然后有一個高保真度的量子操作，所謂的量子操作，可以類比成經(jīng)典計算機里面的非門、與非門、或門這些基本的門操作；最后要執(zhí)行算法，就需要足夠多的量子比特進(jìn)行運算。
這三個問題看起來簡單，但做起來卻不簡單。首先，什么材料可以作為量子比特？現(xiàn)在人類已經(jīng)挖掘出非常多的量子計算載體，包括超冷原子、離子阱、光子、超導(dǎo)量子比特，都可以用來做量子計算。這些體系有各自的優(yōu)缺點，目前還不知道哪一種體系一定能夠最終實現(xiàn)量子計算，但目前發(fā)展比較快的是超導(dǎo)量子比特和離子阱。
超導(dǎo)量子比特最重要的優(yōu)勢，在于其結(jié)構(gòu)類似于電路，能夠采用傳統(tǒng)的集成電路工藝幫助快速實現(xiàn)大規(guī)模量子比特系統(tǒng)制造。
這種技術(shù)近幾年發(fā)展特別快，借用IBM和谷歌的研究，從上面左圖可以看到超導(dǎo)量子比特退相干時間大概兩到三年就會翻一倍，現(xiàn)在整個量子比特的性能也比十年前好很多。在2005年，退相干時間還是1微秒的級別，現(xiàn)在量子比特退相干時間已經(jīng)有幾百微秒。比特數(shù)量增加也非?？?。
2019年谷歌發(fā)布了具有53個量子比特的芯片，其實在2017年的時候，谷歌已經(jīng)有72個比特的量子芯片，53對比72數(shù)量看起來沒有增加，其實復(fù)雜度比以前增加了很多。
某種程度上，53個量子比特能夠達(dá)到100多個比特的芯片級別。除了退相干時間和量子比特數(shù)量之外，超導(dǎo)量子比特門操作的保真度非常高，在2014年，已經(jīng)達(dá)到了99.4%，谷歌最新的量子芯片保真度會更高，可能有99.6%，超過了糾錯閾值。
回過頭看，如何造一個量子計算機？首先我們要有量子比特，然后要有高保真度的量子操作，足夠多的量子系統(tǒng)。超導(dǎo)目前已經(jīng)大體能夠滿足這三個要求，此技術(shù)也達(dá)到了一個門檻。
上圖來自IBM，說明了量子計算后面發(fā)展的可能路徑。從下往上看整個方塊的疊加，最底層為Physical Quantum Processor，是物理層面的概念。
量子芯片首先要有量子比特，有了量子比特，然后研究如何控制，隨后是讀取量子比特。在讀取和控制達(dá)到比較高的保真度之后，然后對量子系統(tǒng)做Quantum error Correction，也就是量子糾錯，此操作的主要目的是為了進(jìn)一步提升量子系統(tǒng)操控的精度。
其實，超過99%的操控精度，不夠?qū)崿F(xiàn)量子算法的實際應(yīng)用。但是科學(xué)家非常聰明，既然直接做出高保真度的門不容易，那為什么不使用很多個量子比特呢？所謂的量子糾錯就是借鑒經(jīng)典計算機糾錯概念，確保最后達(dá)成總的等效的量子操作，可以達(dá)到比較高的保真度。
在這個基礎(chǔ)上，可以依靠大量的量子比特達(dá)成非常高保真度的量子操作，用更多的量子比特實現(xiàn)有價值的量子算法落地，就到了Logical Quantum Processor，也就是邏輯層面的量子處理器。在邏輯層面需要突破的技術(shù)和物理層面的量子處理器一樣，需要控制和讀取，最后才能實現(xiàn)有價值的量子算法。
從最終的目標(biāo)來看，要實現(xiàn)量子計算應(yīng)用的落地，理論上大概需要達(dá)到100萬個量子比特，用這個數(shù)量做量子糾錯之后，會形成大約有1000多個邏輯量子比特的規(guī)模，如此規(guī)模足夠落地應(yīng)用。
從數(shù)據(jù)上來看，單比特門需要達(dá)到99.99%的精度，雙比特門需要達(dá)到99.9%的精度，讀取也需要達(dá)到非常高的保真度。目前雙比特門已經(jīng)可以到99.4%，保真度已經(jīng)非常接近算法落地的目標(biāo)。下一步重要的問題在于提高比特數(shù)量的同時，確保量子比特的門保真度不會下降，這也是當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要研究重點。
技術(shù)角度怎樣解決這兩個問題呢？先從超導(dǎo)量子比特角度，觀察超導(dǎo)電路轉(zhuǎn)化過程。上圖左邊是一張簡單的示意圖，線條可以認(rèn)為是超導(dǎo)體的線條，電路的下面有一個圓環(huán)，圓環(huán)上面有兩個黃色的小方塊，這兩個小方塊叫約瑟夫森結(jié)，用它可以組成超導(dǎo)量子干涉器，叫SQUID。
上圖右方能看到兩個小山峰，可以認(rèn)為是一個粒子在這個山峰里面滾來滾去的系統(tǒng)，把這個系統(tǒng)量子化之后，就可以劈裂成一系列分粒的能級，就可以利用這些能級進(jìn)行量子操作。量子操作需要控制、讀取。
讀取就是上圖黃色標(biāo)記（Re-out），可以認(rèn)為通過一根輸入線和一根輸出線，就可以讀取量子比特的狀態(tài)。單個比特很容易畫電路結(jié)構(gòu)，但如果有一排，只能借鑒印刷電路的結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計一排的量子比特來進(jìn)行量子計算的各個研究。
顯然一排的結(jié)構(gòu)不太適用于實際的應(yīng)用需求，還需要二維的陣列結(jié)構(gòu)，但是二維的陣列結(jié)構(gòu)中量子比特的控制線以及讀取很難實現(xiàn)。這也是量子比特的數(shù)量提升會遇到瓶頸的原因。解決這個問題的基本思路是增加維度實現(xiàn)布線的可能性。
2014年，谷歌已經(jīng)有了這個想法，通過借鑒傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝（Flip-Chip的工藝，倒裝焊）把兩個芯片對接扣到一起，從而實現(xiàn)布線。上圖右上角是谷歌的Sycamore處理器，它是由兩個芯片貼合而成，上面的芯片就是比特，下面芯片就是布線。
谷歌通過這種方式實現(xiàn)了二維比特陣列的控制和讀取。此概念可以再進(jìn)一步發(fā)展，不僅局限于兩個芯片，可以把很多層的芯片貼合到一起，這就是多層堆疊技術(shù)，麻省理工Lincoln Lab也已經(jīng)實現(xiàn)這項技術(shù)。所以，在這樣的技術(shù)突破基礎(chǔ)上，布線可能就不會成為阻礙比特數(shù)擴張的攔路虎。
另一個問題是如何提升比特門的操作精度。目前，比特門的操作精度受限于退相干時間，簡單來說，這個問題已經(jīng)轉(zhuǎn)換成如何在提升比特數(shù)量的同時，還能夠提升量子比特的相干時間。
根據(jù)研究，可以認(rèn)為超導(dǎo)量子比特的退相干主要是受TLS影響，TLS就是兩級系統(tǒng)(Two level System)，超導(dǎo)量子芯片的襯底和表面可能有一些缺陷雜質(zhì)，能形成亞穩(wěn)態(tài)或者半能級系統(tǒng)，會干擾超導(dǎo)量子比特的運行。提升超導(dǎo)量子比特的退相干需要把缺陷雜質(zhì)去除，把超導(dǎo)量子芯片電路做得越干凈，退相干性能就會變得越好。
所以，從根源上來說，需要從材料和工藝兩個方面進(jìn)行改進(jìn)，從超導(dǎo)量子計算的發(fā)展來看，業(yè)界對材料做了非常多的創(chuàng)新和改進(jìn)，兩到三年的時間增加了一倍的退相干時間。
在超導(dǎo)量子比特剛剛出現(xiàn)時候，都沒意識到材料問題。因為超導(dǎo)量子比特出現(xiàn)非常晚，到目前為止，也就只有21年的歷史。今年是超導(dǎo)量子比特發(fā)現(xiàn)的第21年，它的退相干性能從小于一微秒，迅速提升到兩三百微秒，靠的就是材料和工藝的更新。
早期的量子比特用的都是非常傳統(tǒng)的材料，半導(dǎo)體經(jīng)常用到的材料也是量子比特的選擇，但是退相干性能比較差，小于一微秒?；谶@個原因，研究人員當(dāng)時對超導(dǎo)量子計算并不寄予厚望。
所以，當(dāng)時的想法是用來做基本的研究，研究量子力學(xué)的基本問題，如果拿它來做量子計算還是存在差距。2007年，研究人員換了一種電容結(jié)構(gòu)。2013、2014年，谷歌又提出了很多工藝的革新，包括設(shè)計上也做了一些更新。退相干時間迅速提升到百微秒的級別。
在今年，也有科學(xué)家發(fā)明了新的材料，比如鉭這種金屬可能把比特的退相干時間進(jìn)一步提升到幾百微秒的量級。這對研究人員非常鼓舞，超導(dǎo)量子計算的發(fā)展時間雖然短，但是21年的發(fā)展期間，一直保持著非常快的進(jìn)步速度。目前新工藝、新材料也沒有達(dá)到瓶頸，比如可以用超高真空的封裝讓電路的表面更加干凈。
對于超導(dǎo)量子比特退相干時間的提升，研究人員比較樂觀，預(yù)期提升到毫秒的級別毫無問題。毫秒是什么樣的概念呢？意味著一個量子比特，單比特可以達(dá)到5個9（99.999%）的保真度，雙比特有可能可以達(dá)到4個9（99.99%）的保真度。
根據(jù)目前已知的量子算法，真正產(chǎn)生實際應(yīng)用價值還需要100萬個比特的規(guī)模，100萬個比特太過遙遠(yuǎn)，至少十年才能實現(xiàn)這個目標(biāo)，寄望于十年的技術(shù)突破，對行業(yè)發(fā)展非常不利。
于是研究人員考慮：100到1000個規(guī)模的量子芯片，能不能實現(xiàn)有價值的應(yīng)用呢？上圖藍(lán)色2區(qū)域，在谷歌確定量子霸權(quán)的時候已經(jīng)實現(xiàn)，從2走到3可能是谷歌下一步要走的路。在2和3之間，谷歌定義為近期應(yīng)用，主要目的就是在2和3的中間，嘗試去找有價值的應(yīng)用。
人們經(jīng)常用上圖來對量子計算與經(jīng)典計算做比較，谷歌有時候也會炒概念，比如量子計算機挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的超級計算機。目前來說，傳統(tǒng)的超級計算機功能非常強大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于我們目前所擁有的量子計算機的能力。從對抗的角度來看，量子計算機在十年之內(nèi)可能毫無希望。
如果換一個角度考慮，量子計算的目的不是挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機的優(yōu)勢，而是協(xié)同。能否突破以前單純靠經(jīng)典計算機的困境，才是真正應(yīng)該思考的方向。
量子計算領(lǐng)域如何進(jìn)一步發(fā)展？
第一、最核心的關(guān)鍵問題是提升量子比特測控的精度；
第二、量子糾錯是使用量子計算機比較關(guān)鍵的步驟；
第三、實現(xiàn)100萬個量子比特之前，在100到1000的量子比特規(guī)模要去做NISQ的研究，這時候需要原型機啟發(fā)；
第四、量子領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的問題要重視，因為有些觀點認(rèn)為量子計算機肯定造不出來，這會對領(lǐng)域造成破壞；也不能過分樂觀，向公司投資者或者政府投資者過分地承諾，如果實際技術(shù)發(fā)展沒有那么快，可能會讓投資者失望，也會破壞這個領(lǐng)域；
第五、量子計算和經(jīng)典計算的關(guān)系是非對抗的關(guān)系，量子計算很多技術(shù)來自經(jīng)典計算；
第六、在量子計算技術(shù)發(fā)展過程中，企業(yè)有非常重要的地位，因為企業(yè)和實際的應(yīng)用更加靠近，可能會帶來不一樣的想法，幫助量子計算找到真正的應(yīng)用價值；第七、企業(yè)和科研院所應(yīng)當(dāng)更加開放，量子計算可能在短期內(nèi)無法做到有價值的商業(yè)化落地，在此階段，過分強調(diào)技術(shù)保護(hù)可能不利于技術(shù)的發(fā)展。
（雷鋒網(wǎng)）（雷鋒網(wǎng)）（雷鋒網(wǎng)）
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