由於現有半導體微電子技術物理極限的原因，傳統計算機的發展漸漸接近其極限，而具有強大並行處理能力的量子計算技術的發展隨之成為現實需求。然而，通常外部環境會對量子計算的基本單位量子位元產生干擾，產生量子衰減而導致計算錯誤。面臨上述技術難題，全球出現了基於超低溫超導材料、離子阱技術、微電子製造技術和透過量子糾纏來獲取資訊的四種技術實現路徑之爭。
如何建造一臺大型容錯的通用量子計算機並將其應用於完成實際任務，同時帶來收益，具有很大的技術挑戰性與風險。西安交通大學城市學院李聯寧教授認為，從歷史上看，一項技術的進步取決於對該技術投入的人力和資金的多少。當前，各經濟發達國家對量子研究的投入持續增長，已開始進行國家層面的指數級投資。
量子計算機技術前沿
技術一，在極冷的環境下控制量子。只有在零場強和絕對零度的環境中，才有理想狀態下的量子計算。但是由於這種溫度環境需要消耗大量的資金和能源，這在一定程度上就阻礙了量子計算機小型通用化的技術程序。
技術二，採用“拓撲量子位元”進行計算。用拓撲量子位元進行計算，對於外界的干擾有極強的容錯能力。這樣一來，基於拓撲量子位元的計算機就可以在規模上很大，在能力上很強。這個技術一旦取得突破，長期困擾我們的諸多計算難題將迎刃而解。
技術三，使用量子退火原理尋找最優解。量子退火演算法就是讓大自然自己去選擇最優的答案。目前商用量子計算機（其實是量子退火機）D-WaveTwo會對每次計算任務重複4000次，以便使得解趨向更加精確。
技術風險及需要克服的困難
1
量子位元不能從本質上隔離噪聲。對於操作量子位元的量子計算機來說，最重要的設計引數之一是錯誤率，低錯誤率一直很難實現。只有進一步抑制輸入端的噪聲汙染才能成功地進行量子計算。
2
無誤差的量子計算需要進行量子誤差校正。執行量子誤差校正演算法需要更多的量子位元，這使得計算機的開銷增大，導致短時間內無法應用。
3
大資料無法有效載入到量子計算之中。沒有辦法將大量的資料轉換成量子態。對於需要海量資料輸入的問題，產生輸入量子態所需的時間將佔據大部分計算時間，這大大降低了量子計算的優勢。
4
量子演算法的設計具有挑戰性。要想充分發揮量子計算機的優勢，量子演算法必須利用獨特的量子特性。因此，量子演算法的實現需要一種新的設計原則。
5
量子計算機需要新的成套軟體。由於量子程式不同於經典的計算機程式，需要進一步研究和開發軟體工具。量子計算機完整軟硬體工具的同步發展，將加速量子計算機的發展。
6
量子計算機的中間狀態無法直接測量。目前，量子態不能簡單地複製用於測試，任何量子態的測量都會導致計算停止。新的除錯方法對大型量子計算機的發展具有重要意義。
更多精彩觀點
01 量子計算發展主要困難和技術路線
量子平行計算技術發展的主要困難
量子計算機現在只是剛起步，目前的硬體水平還不能製造出通用的量子計算機。量子位元會與外部環境發生作用而使量子衰減，這是目前面臨的主要技術難題，而實現量子平行計算的兩大技術困難如下：
其一，量子位元之間的相干性很難長時間保持。
目前，量子計算機的研究還處於理論和實驗階段，只能產生幾十個量子位。為了在量子計算機中實現高效的並行操作，必須使相互關聯的量子位元串作一個整體，即量子相干。這樣，只要處理其中一個量子位元，影響就會立即傳輸到序列中的其他量子位元。這一特性是量子計算機高速執行的關鍵。
由於量子相干系統與周圍環境的相互作用，相干度會迅速衰減，並且隨著量子位元數的增加，保持相干態將變得越來越困難。目前，此連貫性只能維持不到一秒鐘。在如此短的時間內需要完成一定數量的邏輯運算，這對量子邏輯閘的開關速度提出很高要求，而量子編碼是迄今發現的最有效的方法。
量子編碼是用一些特殊的量子態來表示量子位元，以達到保持相干性的目的。主要的量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。其中，量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究最多的一類編碼，其優點為適用範圍廣，缺點是效率不高。
其二，要做出邏輯位元，則目前物理位元的數量仍不足。
量子位元可以進一步分為物理位元和邏輯位元。由於噪聲的客觀存在和物理位元穩定性的一些缺陷，只有透過對多個物理位元的冗餘處理，才產生邏輯位元。一般來說，噪聲較小的系統可以用較少的物理位元對邏輯位元進行編碼。與物理位元相比，邏輯位元具有更好的容錯性。
因此，儘管IBM、谷歌和英特爾已經制作了原型機並獲得“量子霸權”，但如果他們想製作邏輯位元，則目前物理位元的數量還遠遠不夠。事實上，這些量子計算機還處於非常原始的階段，只能適用特定的應用。
當前，實現標準量子計算機的難點在於無法實現編碼邏輯位元，當然還存在系統擴充套件、邏輯閘精度等問題。由於這些技術瓶頸，現在開發的量子計算機只能稱為原型，它們只能執行單一的特定功能，而無法實現通用的量子計算。
全球量子計算機四種技術實現路徑之爭
科學界最近湧現出的一些進步重新點燃了科學家想方設法組建更強大的量子計算機的熱情，並促使其使用不同技術研製計算能力超強的量子計算機，從而使全球出現了四種主要的量子計算機技術實現路徑。
第一，用超低溫超導材料製成量子計算機。
加拿大D-wave系統公司開發的量子晶片採用特殊的鈮金屬材料，這種材料在低溫下呈超導態，其電流具有順時針、逆時針和順逆時同時存在的混合狀態。在此基礎上，實現了量子計算。D-wave系統公司已經開始在市場上銷售量子計算機業務系統，主要客戶包括谷歌和美國宇航局噴氣推進實驗室。
第二，基於微電子製造技術的量子計算。
過去幾年IBM依託於耶魯大學和加州大學聖巴巴拉分校在量子計算領域取得了進展，研究小組將超導材料錸和鈮分散在半導體表面，當冷卻到絕對零度時，半導體表面呈現量子行為。研究結果表明，量子計算可以建立在標準微電子製造技術的基礎上。
第三，離子阱製造量子位元。
離子阱技術是利用離子阱中的離子製造量子位元，即利用電極產生電場，在電場裡“俘獲”經過超冷處理的離子。研究人員已經能夠利用鐳射實現離子糾纏。到目前為止，研究人員已經用這種方法建立了一個由8個量子位組成的系統，全球有20多個大學和公司的研究實驗室從事類似的研發和設計。
第四，使用量子糾纏來獲取資訊。
量子計算機的基本單位是量子位元，即用原子的自旋等粒子的量子力學狀態表示0和1。量子位元因可同時處於0和1的狀態（量子疊加），使得量子計算機可以同時進行大量運算。根據量子力學的基本原理，隨著量子位元數的增加，其計算能力呈指數增長，但是觀測或測量量子位元可能會造成其計算潛力的削減。因此，研究人員利用量子糾纏來獲取資訊。在量子糾纏中，粒子連線在一起，則測量一個粒子的性質可以直接揭示另一個粒子的相關資訊。然而，如何擴大糾纏量子位的數目並保持糾纏態是當前量子資訊研究領域的一個嚴峻挑戰。
量子計算機技術前沿
技術一，在極冷的環境下控制量子。（主要研究者為谷歌、IBM和英特爾）
量子計算機能力的“大”和“小”，基本上取決於其量子位元的數量，而在傳統架構下，當量子位元的數量迅速增加，一些基本粒子對於外界的干擾會越來越敏感，導致錯誤率急劇上升。由於量子是微觀粒子，因此哪怕極其微小的電磁場都會對其構成干擾，產生所謂的“區域性噪音”。同時，由於熱輻射和電磁輻射等環境噪聲的存在，量子系統會受到環境的干擾。
只有在零場強和絕對零度的環境中，才有理想狀態下的量子計算。這也是為什麼量子計算機要放在接近絕對零度的容器裡，被嚴嚴實實地封閉起來，對外界干擾“嚴防死守”。但是，由於這種溫度環境需要消耗大量的資金和能源，這在一定程度上就阻礙了量子計算機小型通用化的技術程序。
技術二，採用“拓撲量子位元”進行計算。（主要研究者為微軟）
微軟不是使用普通的“邏輯量子位元”進行計算，其獨特的技術路線是採用“拓撲量子位元”進行計算。拓撲量子位元是透過基本粒子的拓撲位置和拓撲運動來處理資訊。無論外界的干擾如何“蹂躪”基本粒子的運動路徑，只要它還連續變化，從拓撲角度來看，其運動就是等價的。
這也就是說，用拓撲量子位元進行計算，對於外界的干擾有極強的容錯能力。這樣一來，基於拓撲量子位元的計算機就可以在規模上很大，在能力上很強。微軟是當前壓寶拓撲量子計算的科技巨頭。這個技術一旦取得突破，長期困擾我們的諸多計算難題將迎刃而解。
技術三，使用量子退火原理尋找最優解。（主要研究者為D-Wave）
量子退火演算法可以這樣理解：在量子工作環境中加入一個隨機的擾動，使得計算的解更容易出現在距離最優解更近的地方，然後多次進行退火過程使結果不斷接近最優解。退火演算法就是利用現實世界中量子系統的自然趨勢來尋找能量狀態的最低點。如果最佳化問題和量子系統自然趨勢的峰值和谷值相似，則每一個座標就代表一種可能的解決方案，而高度（峰值和谷值的差）則表示能量值。最優解就是能量狀態的最低點和量子系統的谷值相互對應。
進一步的解釋是：在量子計算機裡，由於量子的物質波，量子的位置可以是它附近的任一處，只不過機率不同。初始時，我們給予某量子一個擾動，就好比金屬開始退火時升高溫度，它有可能會產生一個與當前值有一定距離的新值，然後計算機比較這兩個值。接下來我們可以更改這個擾動，好比升高退火的溫度，使量子可能出現在更多的地方，並繼續進行比較判斷，直到最終找到最優解，而此時量子恢復初始的穩定狀態，就好比金屬的退火結束，溫度恢復到了正常溫度。這也是為什麼這個方法被稱為量子退火。量子退火演算法就是讓大自然自己去選擇最優的答案。目前商用量子計算機（其實是量子退火機）D-WaveTwo會對每次計算任務重複4000次，以便使得解趨向更加精確。
02 國家層次的戰略投資
從歷史上看，一項技術的進步取決於對該技術投入的人力和資金的多少。技術的進步將推動經濟的收入，從而使資金可持續投資在研發、人才等方面並進一步促進技術創新。如同網際網路發展的過程，如果我們想在量子研究中實現持續的指數級別的技術進步，就需要進行指數級別的投資，並保持這種投資的良性迴圈。
在量子計算機研發中，先期的商業成功將增加整個領域的投資，但在沒有商業回報的中間研發環節，則需要政府增加資金支援，因為研發時，艱難的中間環節直接影響研發的成功與否。從現狀看，美國、英國、日本、中國等國以及歐盟都在加大對量子計算機開發的投入。
美國
2018年9月，美國政府釋出《量子資訊科學國家戰略概述》，旨在確保美國在“下一場技術革命”中的全球領導地位。同年12月，時任美國總統特朗普簽署《國家量子計劃法案》，該法案旨在確保美國在量子資訊科學及技術應用方面的領先優勢，支援量子資訊科學技術的研究、開發、論證和應用，要求美國總統實施“國家量子計劃專案”。法案授權在10年計劃的前5年投資12.75億美元用於量子資訊科學，其中，向美國國家標準與技術研究院撥款4億美元，向美國國家科學基金會撥款2.5億美元，向美國能源部撥款6.25億美元。這些資金將用於培養科學家、拓展研究和建立10個量子研究與教育中心。同時，該法案要求加強聯邦量子資訊科學技術研發的跨機構規劃與協調，建立一個國家量子協調辦公室，促使產業界與學術界建立夥伴關係。
英國
早在2013年的秋季預算中，英國政府就專門撥款2.7億英鎊用以支援“英國國家量子技術專案”在第一個5年的開展，意在加速量子技術的商業化程序。該專案包含4個研究中心，分別由4所高校主持，除了牛津大學領導的量子資訊科技中心之外，還有伯明翰大學領導的量子感測和測量中心、約克大學領導的量子通訊中心、格拉斯哥大學領導的量子先進成像中心。從2014年英國啟動此專案，到2019年6月英國政府宣佈向量子計算商業化投資1.53億英鎊以推動研發競賽、新產品和創新、行業主導專案以及投資加速，5年間總投資超過10億英鎊。
歐盟
2016年3月，歐盟委員會發布《量子宣言（草案）》，計劃於2018年啟動總額10億歐元的量子技術專案，旨在促進包括安全的通訊網路和通用量子計算機等在內的多項量子技術的發展，以確保歐洲量子產業在全球產業藍圖中的領先地位。2018年10月，“歐盟量子旗艦專案”啟動，這個10年預計花費10億歐元的超大專案計劃在三年內建造其第一臺量子計算機Open Super Q，其目標是構建一臺包含100個量子位元的量子計算機，並可以開放給外部使用者使用。德國、西班牙、瑞典、瑞士和芬蘭的10個學術和私營企業合作伙伴參與Open Super Q研發專案。歐盟量子旗艦專案重點關注四種量子技術：通訊、計算、感知和模擬。同時，還將基礎科學納入其中。
日本
日本於2018年啟動“量子飛躍旗艦計劃”，總預算是10年220億日元，其中三分之一將投入到量子計算機研究領域，針對此研究課題日本政府採取了產學研一體化方式進行。日本政府計劃在2019年下半年將相關預算提高至250億日元，比當時的140億日元預算增加近一倍，以便加快量子技術的研發，為超高速量子計算提供基礎技術支援，同時計劃建立從基礎研究到智慧財產權管理的綜合性研究機構，推進人才培養。2019年11月日本政府專家會議在技術開發進度彙總表中提出，力爭20年後實現能夠進行超高速複雜計算的量子計算機實用化，縮小與歐美及中國相關領域的差距。
中國
中國將量子調控與量子資訊列入“國家重點研發計劃”。2016年7月，中國政府宣佈將啟動量子計算機研發。2017年2月，世界上最大的量子研究設施——中國量子資訊科學國家實驗室建設啟動，一期計劃投入70億元人民幣，長期投資將達千億元人民幣。2020年12月，中國科學技術大學宣佈，該校潘建偉團隊與中科院上海微系統所、國家平行計算機工程技術研究中心合作，成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，在量子計算第一階段樹起了一座里程碑。
03 風險與歷史機遇
技術風險及需要克服的困難
第一，量子位元不能從本質上隔離噪聲。
經典計算機和量子計算機的主要區別之一，即它們如何處理系統中微小的干擾噪聲。實際上，今天的經典計算機用於控制的操作位有很大的噪聲邊際，所以經典計算機可以抑制輸入端的噪聲汙染，產生乾淨無噪聲的輸出。
然而，對於操作量子位元的量子計算機來說，最重要的設計引數之一是錯誤率，低錯誤率一直很難實現。即使到2018年，5個或者更多個數的量子位元系統其錯誤率也超過幾個百分點。在較小的系統中一般可以有效控制錯誤率，但當需要轉移到更大的量子位元系統中時則較困難，只有進一步抑制輸入端的噪聲汙染才能成功地進行量子計算。
第二，無誤差的量子計算需要進行量子誤差校正。
雖然物理量子位元的操作對噪聲很敏感，但是可以在量子計算機中執行量子誤差校正演算法來模擬無噪聲或者完全校正的量子計算。如果沒有量子誤差校正，像秀爾演算法這樣複雜的程式就不太可能在量子計算機上準確執行。
然而，執行量子誤差校正演算法需要更多的量子位元，這使得計算機的開銷增大。雖然對於無錯誤的量子計算，量子位元數量至關重要，但是因為開銷過大，導致短時間內無法應用。
第三，大資料無法有效載入到量子計算之中。
雖然量子計算機可以使用更少的量子位元來表示更多的資料，但是沒有辦法將大量的資料轉換成量子態。對於需要海量資料輸入的問題，產生輸入量子態所需的時間將佔據大部分計算時間，這大大降低了量子計算的優勢。
第四，量子演算法的設計具有挑戰性。
測量量子計算機的狀態需將大量的量子態“摺疊”成單個經典結果，這意味著，從量子計算機中所能提取的資料量與從同樣大小的經典計算機中提取的資料量相同。
但在未來，要想充分發揮量子計算機的優勢，量子演算法必須利用獨特的量子特性。因此，量子演算法的實現需要一種新的設計原則。量子演算法的發展是量子計算機技術發展的一個非常重要的方面。
第五，量子計算機需要新的成套軟體。
由於量子程式不同於經典的計算機程式，需要進一步研究和開發軟體工具。量子計算機完整軟硬體工具的同步發展，將加速量子計算機的發展。利用早期的工具完成端到端的設計，有助於發現隱藏的問題，從而促進設計的整體成功，這也是經典計算機設計所採用的一套方法。
第六，量子計算機的中間狀態無法直接測量。
量子硬體和軟體的除錯非常重要。目前，量子態不能簡單地複製用於測試，任何量子態的測量都會導致計算停止。新的除錯方法對大型量子計算機的發展具有重要意義。
在量子計算機實現之前，量子計算還存在著重大的技術障礙。構建和使用量子計算機，需要整合計算機科學、數學、物理、化學、材料科學等一系列學科。
歷史機遇
今天，科學發展的趨勢有兩個：
一是發現現有物質在原子層面和分子層面的組合方式，這涉及生命科學、高階材料等學科；
二是探索世界存在的本質，量子論和相對論是這一領域裡的兩大利器。
量子計算機的實現正在帶來資訊科技的革命性變化，首先可能應用於醫療、國防、航天、金融、材料等行業。如果想在這些領域內有突破性的進展，就必須突破計算量太大的難關。因此，量子計算對這些領域的發展意義極大，計算能力的飛躍必然導致這些領域的大發展。
就演算法而言，量子計算機有兩大優點：
一是對於任意一個傳統計算機的演算法，均有其相應的量子演算法；
二是存在傳統計算機演算法無法模擬的量子演算法。
人們只要造出位數和傳統計算機相近的量子計算機，傳統計算機演算法就必然會被取代。隨著人類使用的資料量越來越大，各種型別的量子計算機一定會走進我們的日常生活。量子計算機儘管在短期內不可能取代傳統計算機，但它必將是人類科技文明的一個重要里程碑，是未來科技的引擎。除了量子計算潛在的社會益處之外，這項工作對國家的安全也有重大影響。
量子計算對於推動基礎性研究具有重要價值，這些研究將有助於人類理解與認識未知世界。與所有的基礎性研究一樣，這一領域的進展會帶來革命性的新知識和新應用。量子計算一定會給這個世界帶來一次全新的技術革命，今天的我們甚至無法想象這樣的技術革命會給社會帶來怎樣巨大深刻的變化。
文章來源：《學術前沿》雜誌2021年4月上（微信有刪節）
作者：西安交通大學城市學院教授 李聯寧
原文責編：桂琰
新媒體責編：李思琪
視覺：王洋
（圖片來自網路）
