量子计算机的最终归宿

原创/简浩

量子科技是人类探索微观世界的重大科学。量子科技具有重大的科学意义和战略价值，量子科技对传统技术体系将会产生重大冲击，量子科技将是对经典物理的重大颠覆性技术创新，量子科技将会引领新一轮的科技革命和产业变革。

量子计算机是量子科技和量子力学的核心。研制量子计算机已成为世界强国竞争的科技制高点，中国、美国、欧盟、日本都在紧锣密鼓的研究与开发量子计算机。

什么是量子计算机？量子计算机是一种遵循量子力学规律，进行高速数据处理和逻辑运算、存储及处理量子信息的计算装置。

量子计算机有什么惊人之处？量子计算机在模拟任意自然系统、超强人工智能、加密与破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等科技领域，能够快速完成经典计算机无法完成的数据处理。

世界研发量子计算机的进展概况：

世界研发量子计算机大致可分为四大机构。

（1）美国IBM公司于2017年3月6日，宣布将于年内推出全球首个商业通用量子计算服务。IBM表示，此服务配备有直接通过互联网访问的能力，在药品开发以及各项科学研究方面，有着变革性的推动作用。我估计，IBM可能只是停留在概念性的设计与实验。

（2）美国谷歌公司于2019年9月，推出53个量子比特的量子计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”却需2天，声称实现了“量子优越性”。另外，“悬铃木”却需要零下273.12摄氏度的运行环境，还需要苛刻的工作环境和高昂费用。

谷歌公司研发“悬铃木”使用的是什么技术路线？显然还在保密，只提到53个量子比特，这只是仅作为对外应付。

我估计，谷歌也只是比概念性设计与实验稍进一步，谷歌可能用的是超导比特技术路线。

（3）中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳等人于2020年12月4日，与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”。

当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而目前世界最快的超级计算机“富岳”则需6亿年。等效来看，“九章”的计算速度比谷歌公司的“悬铃木”快100亿倍，并且，还弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。

中科大潘建伟、陆朝阳等人，实现了“量子优越性”里程碑式的重大突破，按照西方的说法，中科大已经实现了“量子霸权”。

“九章”在探测部分却还需要零下269.12摄氏度的运行环境和高昂费用。陆朝阳说，另一方面，超算的耗电量太大，计算40个光子时需要电费200万元，41个光子需要400万元，42个光子需要800万元，推算下去将是天文数字。

（4）英特尔、微软、欧盟等研发机构，对量子计算机也有不同的开发进展，我估计，一是在保密，二是投入不足。

然而，我认为，以上四家机构都还处在研发量子计算机的第一阶段，还有两个阶段没有走。因此，距离“商用量子计算机、通用量子计算机”还很遥远。看谁笑到最后，才是真正的“量子霸权”。

量子计算机的最后归宿：

目前，世界各家研制量子计算机不外乎四条技术路线：原子、离子、光子、超导。

我认为，研发量子计算机的技术路线，最后归宿在——原子。

我估计，这四家研发机构，现在采用的是离子、光子、超导三条技术路线，总体看是“先易后难”，然而，我认为，要采用原子技术路线，则是“先难后易”。

由此看来，这四家机构，走了不少弯路、费了不少艰辛、耽误不少时间、花了不少费用。最后，还要找量子计算机的最佳归宿——原子。

我认为，采用原子的技术路线有八个优势：超强纠错好、量子相干好、量子一致好、量态维持好、量子稳定好、量子重复好、体积规模小、功耗费用少。

选择原子作为量子计算机的技术归宿，我简要提示一下需要三大板块：第一，需要将硬件原子整合为量子计算前端需要的“材料集成、原子集成、比特集成、阵列集成、并行集成”。第二，需要将硬件的量子计算前端与数据处理架构融合、量子计算前端与处理器（CPU）融合。第三，需要将软件的量子计算整合为操作系统和应用系统。研制原则是：化难为易、化繁为简、模块化、系统化。

做重大科研项目需要的格局：研发重大核心科技，需要大智慧、大胸怀、大视野、大境界，工业设计的最高境界则是三部曲：谋划、艺术、产业化。

做重大科研项目需要的技巧：先说谋化，后说运作，不能摸着石头过河。谋划中先要认准方向、找准路线，后要严谨构思、统筹布局，其次才说分工合作、运作紧密，归根结底需要一位优秀的领军牵头，统一号令。

总之，我认为，选择原子作为量子计算机的最终技术归宿，不复杂、不困难，关键是研发人员要进一步的解放思想、解放视野、突破圈子、突破自我。

（E-mail：jh070115@163.com）2020/12/8