到底什么是量子计算机？

量子计算机，已成为引发激烈角逐的科技前沿。而且，相关竞争有愈演愈烈之势。

最近引发强烈关注的，是两大科技巨头在此领域的进展：IBM于上月宣布，将于今年10月中旬正式发布拥有53个量子比特的可商用量子计算机;随后，谷歌研发团队在一篇论文中透露，已首次实现量子霸权。

与经典计算机大不相同

据外媒报道，IBM即将发布的53个量子比特的量子计算机，将通过云端向客户开放。

这个量子计算机系统将成为IBM位于美国纽约州的新量子计算中心的一部分。该中心拥有5台20个量子比特的量子计算机，并计划于10月增加至14台。IBM承诺，将对外开放95%的量子计算机的服务。

上世纪90年代，很多研发量子计算机的科学家，被认为是在“骗人”。如今，量子计算机已成为炙手可热的前沿科技领域，它的发展前景也被众多科技公司看好。

那么，到底什么是量子计算机？

“量子计算机从底层到运算模式都与经典计算机完全不同。”中国科学院物理研究所研究员、固态量子信息与计算实验室主任范桁介绍道，量子计算机遵循量子力学原理，以量子比特为基本量子信息单元，以量子纠缠、相干叠加为特色，以解决实用和科学问题为目标。

举个简单的例子，经典计算机的最基本单元是由0和1组成的比特，量子比特则既可以是0，也可以是1，包含的信息量更大。

“量子计算实现的必要条件包括可扩展、可初始化、长相干等等。”范桁说，其中可扩展性即增加量子比特数目，可实现大规模量子计算;而长相干时间即量子态保持量子相干，能用于逻辑运算。

从用途来看，量子计算机又可以划分为专用和通用两种类型。专用计算机可以解决特定的问题，但不适用于解决所有问题;通用量子计算机能解决的问题则更多。

在量子计算机的相关竞争中，量子霸权特别受到关注。

怎么才算实现了量子霸权?业界通常认为，量子霸权是指量子计算机如果在某个问题上的计算能力超过最强大的传统计算机，就实现了相对传统计算机的“霸权”。业界认为，如能有效操纵50个左右的量子比特，就能实现量子霸权。

据外媒报道，谷歌用来实现量子霸权的量子计算机就拥有53个量子比特。

介于能否解决现实问题边缘

总体而言，现在量子计算机的发展处于什么水平?

“50个左右量子比特的量子计算机，介于能够解决现实问题和不能解决现实问题的边缘。”中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室韩正甫教授在接受科技日报记者采访时回答道，短时间内，让现有量子计算机去解决现实问题虽有难度，但并非不可能。

在韩正甫看来，量子计算机的未来发展趋势是非常明确的：首先要把量子计算机架构出来;接下来是增加量子比特数量，提高量子比特质量;之后，量子计算机相关应用软件也将成为核心竞争点。

“量子计算机的研发工作目前面临多个核心难题。”韩正甫说。

这些难题一方面涉及保真度，即量子计算机在计算时产生的误差可能有多大。误差越大，保真度就越小。如果保真度小到一定程度，计算结果就会不可信，量子计算机也就失去了存在的意义。所以必须保证保真度达到一定水平。

另一方面是量子相干性的保持。因为量子计算机在计算过程中，必须保持所有量子比特是互相纠缠的，但外部环境干扰会消磨量子的相干性。因此，必须寻找方法让量子相干性保持时间更长一些，从而在量子相干性消失之前，将计算任务执行完。

“目前量子计算机的算法比较少，这或会影响未来量子计算机的应用前景。”范桁指出。

不过韩正甫却给出不同观点。他认为，目前量子计算机领域主要有两类算法，如果量子计算机能够成立的话，这两类算法的应用面已经比较广，并足够让我们解决很多问题。

“当然，如果有更多新算法，就可以解决更多问题，那将更好。” 韩正甫说。

对于量子计算机到底会用什么材料来做，范桁介绍，科研人员仍在不断尝试，目前有多种可能，比如用超导材料、光子材料、原子材料等。无论采用哪种材料，核心原则是适于量子计算机的运行规律。

盲人摸象般探索前行

韩正甫把量子计算机的研发比作“盲人摸象”。

“研发量子计算机就相当于，把现在的经典计算机从头做起，整个再做一遍，材料、硬件、软件、算法等所有环节都要重新考虑。”韩正甫解释道，与此同时，没有任何案例可以借鉴，谁也不知道如何做才能成功，所以各个研发团队只能探索着往前走。

更不要说，研发过程中还会受到量子性质的种种限制，以及各种现实研发条件的限制。

尽管如此，量子计算机诱人的应用前景，仍令人垂涎。

“未来，量子计算机在人工智能、大数据处理、信息搜索、生物制药、物流优化等领域都可以发挥重要作用。”范桁说，以生物制药领域为例，量子计算机能更好地模拟生物反应所涉及的量子过程。

多位业内人士告诉科技日报记者，目前国外的谷歌、IBM、Deep-Wave等公司正在大力研发量子计算机，国内的阿里巴巴、腾讯、华为等企业也成立了量子计算机的研发团队。

从国家层面来看，量子信息技术也受到前所未有的重视。

2018年，美国国会通过了“国家量子倡议法案”。依据该法案，美国将实施国家量子倡议项目，目标是在未来10年加速发展量子信息科学及其技术应用。该法案规定，美国总统必须成立国家量子倡议咨询委员会，以掌握国家量子倡议项目以及量子信息科学技术领域的进展。

欧盟委员会则在2018年宣布了“量子旗舰计划”，预计今后10年在量子研发领域投入10亿欧元。该计划的目标之一是巩固和扩大欧洲在量子技术研发领域的领先地位。

中国也对量子通信和量子计算机的技术研发十分重视。其中量子通信和量子计算机已被列入“科技创新2030—重大项目”。据相关报道，量子信息科学国家实验室的建设工作也正在推进。

“如果今后50年是量子计算机的时代，而在量子计算机领域没有相关核心技术的话，肯定将会受制于人，因此这个领域的竞争是谁也输不起的。”范桁说。