巅峰激辩：量子计算机十年内能否走出实验室，改变世界？
文 / 浩楠 发自凹非寺 量子位 报道 | 公众号 QbitAI
你是否也渴望知道，量子计算能否在10-15年内突破技术壁垒，从实验室走向现实，彻底解决那些经典计算机束手无策的难题？
当下，量子计算赛道由谷歌、IBM等美国巨头领跑。中国的研发力量处于何种位置？能否实现惊人的弯道超车？
3月28日，中国计算机学会青年计算机科技论坛（YOCSEF）以“量子计算机离我们还有多远”为主题，上演了一场精彩的线上思想交锋。
带着这些核心追问，我们直击现场，与中国最权威的量子科学家及企业领袖深度对话，为你揭开未来计算时代的面纱。
何为真正的量子计算机？性能标准引发巨头争论
2019年10月，谷歌高调宣布其Sycamore芯片实现“量子优势”，声称完成了经典计算机几乎无法完成的任务。
△谷歌的Sycamore量子芯片计算机
IBM对此结果不屑一顾，直指其为“精心摆拍”。IBM认为，Sycamore仅执行生成随机数的任务，缺乏实际功能，且用作对比的经典算法并非最优，该任务经典计算机同样能轻松应对。
IBM坚信的路线是推动量子与经典计算融合，加速商业化落地，并已率先推出面向企业与科研的量子云服务。
哪条技术路径才是未来？作为关注者的我们，究竟该对量子计算抱有何种期待？
五大技术路线竞逐：量子计算的“军备竞赛”
量子计算机根植于量子力学，以原子、电子等微观粒子为信息载体。与传统计算机使用电压高低表示0和1不同，它利用电子自旋等量子态编码数据，其核心计算单元是量子比特。
简而言之，量子计算机的强大性能，直接取决于其可操纵的量子比特数量与稳定性（相干时间、保真度）。
打造一台量子计算机需要三大基石：可用的量子比特、高保真的量子操作以及足够规模的量子比特系统。
自然界中任何具备量子效应的载体都可作为量子比特候选。目前，主流的物理实现路线主要有五条，宛如一场多元化的技术冲锋：
这些技术路径各具优劣，由全球不同的顶尖团队全力推进。尚无任何一条路线取得决定性突破，最佳实现方案仍悬而未决。
目前，约80%-90%的研发力量聚焦于固体器件路线，主要包括超导和半导体两大方向。
原因有二：一是可以借助极其成熟的半导体集成电路工艺，为未来计算机的扩展性和集成度带来巨大优势；二是固态电学方案更易于与现有经典计算机兼容融合，符合长远发展愿景。
横亘在眼前的终极技术难关究竟是什么？
核心突破点：工艺与材料决定保真度上限
保真度是衡量量子计算中相位相干性损失的核心指标，取值在0到1之间。其定义为：
其中H、H'均假定为不显含时间，二者相差一个微扰项H‘=H+εV。
简单理解，保真度反映了量子操作结果与理想预期之间的吻合程度。我们自然希望这个数值越高越好。
以超导量子比特为例，其最大优势在于采用类似电路的结构，能利用传统集成电路工艺进行快速、大规模的制备。
近年来其发展突飞猛进，下图显示超导量子比特的退相干时间大约每两到三年就能翻倍，如今其性能已远超十多年前。
除了退相干时间和数量，超导量子比特的门操作保真度也已达到99.4%的高水平。但一台实用的量子计算机需要集成至少100万个量子比特门，核心挑战在于如何在比特数量飙升时，确保门操作的保真度不出现衰减。
追根溯源，我们必须从材料和工艺两大层面寻求突破。
早期量子比特采用传统半导体材料与工艺，退相干时间极短，不足一微秒，一度令人对其前景存疑。转机出现在2007年，电容结构的革新让性能大幅提升。至2013、2014年，谷歌引领的工艺变革将退相干时间推至百微秒量级。如今，钽等新材料的引入，更有望将时间进一步提升至数百微秒。
这无疑是振奋人心的信号：超导量子计算虽诞生仅二十余年，但其进步速度始终快得惊人。
量子比特退相干时间仍有巨大提升空间。目前，新工艺、新材料的探索远未触顶。例如，采用超高真空封装可使电路表面更洁净；探索原位衬底熔炼技术能减少衬底缺陷；使用硅-28等同位素富集衬底也可能带来性能飞跃。
业界预测，超导量子比特退相干时间未来可达毫秒级别。这意味着什么？商业应用要求单比特保真度达99.99%（四个9），双比特达99.9%（三个9）。若退相干时间达到毫秒，单比特保真度可跃升至99.999%（五个9），双比特可达99.99%（四个9）。
纵观发展历程，多数专家坚信，具有商用价值的量子计算机，在10-15年内落地是可期的。
当前产业图景：巨额投入下的未来竞速
与会嘉宾张辉博士来自中科院量子信息实验室孵化的本源量子计算科技有限公司，该公司正全力推动量子计算商业化。
张博士指出，当今量子计算机尚处类似经典计算机“电子管时代”的早期阶段。无论是领跑的谷歌、IBM，还是国内的创业公司，其量子计算业务收入目前均为零，但研发投入却动辄高达数十亿人民币。
但这并未阻挡行业的脚步。全球范围内，量子计算产业布局早已展开，政策支持陆续出台，广阔前景吸引着海量社会资本涌入。
量子计算的探索已初见端倪。例如在智慧交通领域，量子路由算法理论上能优化复杂路网。2019年，谷歌与大众已利用量子算法实时优化了九辆公交车的路线。尽管规模尚小，但已彰显其指数级增长的潜力。
在金融领域，量子计算能攻克诸多难题。摩根大通与IBM正共同研究期权定价的量子加速算法，引发众多银行兴趣。
生物医药是另一个热门方向。量子计算可模拟分子原子演进，加速新药研发。2018年，中国本源量子发布了全球首款量子化学软件，用于模拟复杂分子结构，有望大幅缩短药物研发周期。
张辉博士表示，中国量子计算仍处于探索期。以本源量子为例，其主攻半导体量子点路线，虽尚未完全落地，但已上线2量子比特的云服务进行展示。他透露，2020年本源量子将联合中科院发布首台国产量子计算机（约20-30量子比特），尽管与美国存在4-5年差距，但依当前发展速度，10-15年内有望在商用落地层面与国际同步。
正如中国量子信息学科奠基人郭光灿院士所言：量子计算如同一个未知山洞，我们不知其中是宝藏还是野兽。但当发达国家竞相涌入时，中国人也必须勇敢进入，亲自探寻量子计算实现的可能。
这场关乎未来的技术盛宴，你准备好了吗？立即在评论区分享你的见解，关注我们，一起追踪最前沿的科技浪潮！
研讨会演讲课件：
https://dl.ccf.org.cn/meeting/loadMeetingDetailById?id=4861100654249984&_ack=1
— 完 —
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