李雅琪 溫曉君

谷歌公司10月23日在《Nature》（自然）雜志官網(wǎng)發(fā)布消息稱，其研發(fā)的量子計算機可對53個量子比特進行精確運算控制，在超導(dǎo)電路系統(tǒng)采樣運算中對目前超算冠軍Summit 形成絕對優(yōu)勢，即實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。谷歌“量子霸權(quán)”的實現(xiàn)，展示了其對量子比特控制的能力，為后續(xù)量子糾錯以及專用量子計算機的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。對我國而言，現(xiàn)在有必要梳理一下在量子計算領(lǐng)域的進展與差距，以加快推動專用量子計算發(fā)展。

谷歌量子霸權(quán)事實評述

谷歌聲稱率先實現(xiàn)量子霸權(quán)。量子霸權(quán)，翻譯自Quantum Supremacy，實際上譯為量子優(yōu)勢更為準確;是指量子計算機具備超越經(jīng)典計算機的計算能力。此前，被NASA誤發(fā)的谷歌“量子霸權(quán)”論文草稿于10月23日正式重新發(fā)表，相較此前的草稿，正式論文中增加了大量的技術(shù)細節(jié)資料。谷歌在論文中表示，其已開發(fā)出一款54量子比特數(shù)的量子芯片，名為Sycamore，由鋁、銦、硅晶片和超導(dǎo)體（約瑟夫森結(jié)）等材料組成。其中，53個量子比特和86個耦合器可以執(zhí)行運算，剩下的1個量子比特?zé)o法正常工作。Sycamore可在200秒內(nèi)對一個53比特的超導(dǎo)電路系統(tǒng)采樣100萬次，而目前世界排名第一的超級計算機Summit完成該計算需要花費1萬年的時間。基于此，谷歌認為量子計算實現(xiàn)了對經(jīng)典計算的超越，因而宣布其實現(xiàn)量子霸權(quán)。

量子霸權(quán)作為一個概念化的“里程碑”，是專用量子計算機應(yīng)用進程中的重要節(jié)點。IBM在谷歌草稿論文發(fā)布后發(fā)博文稱，谷歌實現(xiàn)量子霸權(quán)存在夸大之處。一方面，谷歌在將Sycamore與Summit進行比較時假定超級計算機會受到系統(tǒng)內(nèi)存存儲數(shù)據(jù)量的限制，有失偏頗。IBM保守估計，Summit執(zhí)行谷歌量子處理器的等效任務(wù)僅需2.5天，而非1萬年之久。另一方面，即便Sycamore在超導(dǎo)電路系統(tǒng)采樣運算中優(yōu)于Summit，通用量子計算機應(yīng)用仍然久遠，而“霸權(quán)”一詞可能會導(dǎo)致公眾對量子計算期望過高。不過，谷歌的研究仍具有重要意義，僅是谷歌對53個量子比特的控制能力便足以令業(yè)界振奮，預(yù)示著量子計算機距離應(yīng)用又近了一步，它為量子計算發(fā)展注入了一支強心劑。

谷歌致力于量子計算研究，技術(shù)實力領(lǐng)跑全球。谷歌Sycamore系統(tǒng)基于超導(dǎo)電路系統(tǒng)，在非并行情況下，單比特錯誤率0.15%，雙比特錯誤率0.36%，在保持較高保真度的前提下實現(xiàn)了對53個量子比特的控制屬全球首次。此外，谷歌長期以來在量子計算領(lǐng)域持續(xù)投入，取得重大突破，相關(guān)成果豐富。2018年3月5日，谷歌推出72比特量子芯片Bristlecon，實現(xiàn)了1%的低錯誤率;同年7月，谷歌發(fā)布可用于量子計算的Python開源框架Cirq。近日，谷歌在《Nature》合作期刊《npj Quantum Information》上，發(fā)表了《通過深度強化學(xué)習(xí)實現(xiàn)通用量子控制》（Universal Quantum Control through Deep Reinforcement Learning）的論文，提出結(jié)合深度強化學(xué)習(xí)的方法實現(xiàn)通用量子控制，可極大提高量子計算機的計算能力。

我國量子計算基礎(chǔ)研究進展

與國際領(lǐng)先水平仍存差距

理論研究取得突破，處于高步速跟跑狀態(tài)。我國量子計算研究參與者多為科研機構(gòu)與高校，主要有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院、清華大學(xué)、南京大學(xué)和北京計算科學(xué)研究中心等，在相關(guān)領(lǐng)域已取得一定成果。其中，在多光子糾纏領(lǐng)域，我國研究進展較快，已經(jīng)實現(xiàn)了18個光量子的糾纏，在研究機構(gòu)數(shù)量、核心論文數(shù)量方面，也都處于世界前列。但是，我國量子計算基礎(chǔ)技術(shù)實力仍落后于美國，尤其是在基于超導(dǎo)技術(shù)的量子計算機物理實現(xiàn)方面，距國際領(lǐng)先水平仍有不小的差距。

市場化領(lǐng)軍企業(yè)參與度較低，缺乏全面的戰(zhàn)略布局。在量子計算領(lǐng)域的技術(shù)累積、研發(fā)投入，以及對產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的戰(zhàn)略布局方面，我國企業(yè)與國際先進水平差距非常大，預(yù)計，未來幾年仍將會處于一種跟跑狀態(tài)。近年來，BAT等領(lǐng)軍企業(yè)雖然都紛紛開始布局量子計算，但對量子計算的研究還都處于觀望起步階段，資金投入相對歐美企業(yè)較少，技術(shù)研發(fā)也以跟隨為主，缺少全面的戰(zhàn)略布局，研發(fā)成果多為基于經(jīng)典計算機的量子模擬，與國際龍頭企業(yè)差距較大。

產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)與國際先進水平尚存較大差距。一方面，超導(dǎo)量子計算、半導(dǎo)體量子點等全電技術(shù)體系的工藝大都依托于傳統(tǒng)集成電路工藝，而我國集成電路工藝起步較晚，仍存在重大的技術(shù)障礙，量子工藝性能與歐美國家差距巨大。另一方面，相比于美國在量子計算機硬件、軟件等方面的布局和集中攻堅，我國的量子軟件研發(fā)能力、量子計算算法、量子比特控制技術(shù)明顯落后，嚴重制約著我國量子計算機的發(fā)展步伐，且易導(dǎo)致在國際競爭中處于被動狀態(tài)。

啟示與借鑒

面向具體領(lǐng)域的專用型量子計算機有望率先成熟并獲得應(yīng)用落地，應(yīng)堅定發(fā)展信心。隨著量子比特的可控性不斷提升，未來類似谷歌量子霸權(quán)事件將不斷涌現(xiàn)，量子計算的發(fā)展前景也將逐漸明朗。各研究機構(gòu)對量子計算前景持樂觀態(tài)度，在量子計算領(lǐng)域持續(xù)投入：緊隨谷歌量子霸權(quán)事件后，D-Wave系統(tǒng)公司宣布其新一代5000比特量子退火計算機將首次出售給洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）;摩根大通和戴姆勒等公司正在測試IBM的量子計算硬件;美國國家航空航天局正與谷歌等公司合作，希望借助量子計算機完成任務(wù)調(diào)度或探測系外行星。在后量子霸權(quán)時代，可將量子計算應(yīng)用于探索更多現(xiàn)有經(jīng)典計算機無法進行但更具開拓性的研究領(lǐng)域，也意味著人類即將進入一個量子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵新時代。

加快我國在量子計算等前沿領(lǐng)域的研發(fā)、投入和產(chǎn)業(yè)化布局。谷歌、IBM等量子計算領(lǐng)域的領(lǐng)跑者一直以來對量子計算投入巨大，取得的成果也值得肯定。因此，有必要堅定信心進一步促進我國量子計算發(fā)展。一是推動國內(nèi)龍頭企業(yè)積極開展量子計算產(chǎn)業(yè)布局，組織工程技術(shù)研發(fā)，加大研發(fā)投入力度，培育一批量子計算領(lǐng)域的骨干企業(yè)。二是集中優(yōu)勢資源著力攻克技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，重點聚焦量子比特規(guī)模和性能、提高量子比特相干時間、 實現(xiàn)噪音環(huán)境下的高保真度量子邏輯門等技術(shù)瓶頸。三是加強對專業(yè)人才梯隊建設(shè)的全面布局，不僅要培養(yǎng)一批本土的高端技術(shù)人才隊伍，同時還應(yīng)以市場環(huán)境為依托，通過政策導(dǎo)向集聚全世界最優(yōu)秀的量子計算相關(guān)專家。