量子计算机初长成或要10年

在一个棱长约为2.7米的立方形玻璃箱内，一盏外观似乎并不惊艳的“吊灯”被悬挂在箱顶，引起观者驻足。这盏“吊灯”是一台量子计算机的核心部分，立方形玻璃箱由半英寸厚的硼硅酸盐玻璃制成。

这台量子计算机就是日前在2019年国际消费类电子展现场，IBM首次对外展示的全球首台独立量子计算机——IBM Q System One。

尽管不少业界人士质疑该计算机的可用性，甚至认为它更像是装饰品，但IBM明确表示，IBM Q System One是量子计算商业化的重要一步。然而，在该计算机发布后不久，有媒体称，这台“吊灯”的算力还不如一台普通笔记本电脑。

这样的评价是否客观?众人翘首以待的、量子计算超越经典计算机的“量子霸权时代”何时才能到来?

“大力水手”目前还是个“婴儿”

量子计算机指的是一类遵循量子力学规律，进行高速数学和逻辑运算及量子信息处理的物理装置。“当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就可以被定义为量子计算机。”渔翁信息技术股份有限公司总裁郭刚告诉科技日报记者，量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。

至于IBM Q System One的特征，由于IBM公司并未公开与之有关的科学参数，外界尚无法分析其原理和性能。“这台计算机是怎么被做出来的?规模和性能如何?我们无法从新闻中得到相关信息，甚至无法判断它是否达到了量子计算机的基本指标。”安徽问天量子科技股份有限公司首席科学家、中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室教授韩正甫认为，IBM Q System One顶多是一个模型机，将其用于解决实际问题为时尚早。

目前，在量子计算机领域处于领先地位的机构有谷歌公司、IBM公司、英特尔公司、荷兰代尔夫特理工大学等。“领头羊”谷歌公司针对量子计算机目前存在的问题，提供了一些解决方案，但依然没做出真正的量子计算机。韩正甫告诉科技日报记者，该公司于2018年初推出的72个量子位处理器，还不能算模型机，更不能被用于解决实际问题。

对于“量子计算机的算力不如笔记本电脑”的说法，韩正甫表示，模型机就像处在婴儿期或胎儿期的量子计算机，与经典计算机没有可比性。“当未来的‘大力水手’还是个‘婴儿’，拿他跟一个正值壮年的男子相比，没有意义。同样，真正意义上完整的量子计算机还未出现，比较其与经典计算机的算力高低，没有价值。”韩正甫说。

毫无疑问，当下正值壮年的经典计算机比幼儿期的量子计算机更实用。郭刚也表示，相对于经典计算机，量子计算机的算力目前尚难做到领先。

早在上世纪，电子计算机刚刚问世时，有人曾拿算盘和最早的电子计算机比计算速度。结果，当时的电子计算机确实没有算盘算得快。但经过若干年的发展，电子计算机的算力早已今非昔比。韩正甫强调，经典计算机和量子计算机之间要比较的是原理上的先进性，而非功能上的优劣，否则是不科学的。

几大根本性问题尚未被解决

实际上，量子计算的概念在20世纪80年代就已被提出，其基础理论也在上世纪90年代和本世纪初得到突破。但真正的量子计算机迟迟没有问世。

“因为几大根本性问题没有得到解决。”韩正甫告诉科技日报记者，首先是目前的量子计算机芯片的保真度不够，出错率还比较高，没有达到理论上的要求。

“即便是量子计算机，我们仍然需要它能给出准确的计算结构。即便它的出错率低于万分之5，我们也不敢用它解决问题，因为我们不敢完全信任它的结论。”韩正甫表示。

量子相干性是实现量子计算的根本，如果量子没有相干性，计算只能是经典的。不巧的是，量子相干性会迅速地被环境破坏，因此，所有的量子计算必须在退相干效应发生并扰乱量子比特前完成。这是量子计算要跨越的另一个门槛，物理学家们正在努力，希望量子相干性维持的时间越长越好。

横亘在量子计算机面前的另一道“高墙”是它的运行条件相当苛刻。比如，量子比特必须在接近绝对零度的环境下工作，这需要一些特殊且庞大的设备来维持。

此外，韩正甫表示，量子计算机的驱动电路，以及算法、软件等方面也需要不断完善，目前尚不具备应用条件。

以算法为例，量子计算机在工作时需要算法的配合，但现有的算法如秀尔(Shor)算法能解决哪些问题、不能解决哪些问题，还不十分清楚。暂时，只能在理论逻辑上预计其可用与否。

郭刚表示，如果研究人员对算法的认知达不到一定的水平，就很难将量子计算的潜力发挥出来，也就更难以将其应用到现实的业务系统中，进而解决实际问题。

“这好比给婴儿设计成长路径。可以依据现有表现考虑让其成为科学家还是作家，但适合与否还要等孩子长大后才知道。”韩正甫说，给量子计算机设计软件也是如此，只能等真正的量子计算机问世后，才能去检验并调整之前的设计。

未来应用会从特定领域开始

那么，真正的量子计算机该是怎样的?

“计算能力强大，拥有某些必要的宏观功能。在解决特定问题时，能显示出比现有电子计算机更大的优势。虽然未必能解决极端复杂的问题，对于复杂程度略低的问题，至少能显示其优势所在。”韩正甫说。

“我们说量子计算机计算能力强大，目前还只是从理论上给出的预测。”韩正甫表示，在计算机领域，量子计算机能跑出怎样的成绩，还不得而知。

韩正甫认为，5年之内，量子计算机的原型机有望问世。10年之内，量子计算机的初级版也许能出来，用于解决一些现在经典计算机无法解决的问题。“假如关于IBM Q System One的消息属实，它就是原型机，但不排除这则消息可能存在水分。” 韩正甫表示。

量子计算机走向市场，会被应用于哪些领域?

首先可能会被用来分析密码。以最常用的公钥密码算法RSA为例，其机理是利用短时间内因数难以被分解的特性，而在理论上基于量子计算机的算法可以轻松分解因数。

此外，在新材料设计、天气预报、地震预报等复杂问题的计算上，量子计算机也被寄予厚望。“以天气预报为例，只要根据物理学基本定律给地球上所有的分子都写一个方程式，量子计算机或许能计算出某一个地方的风霜雨雪。”韩正甫说。

量子计算机能描绘出数以万亿计的分子组成，并快速识别其中的有效组合，降低药物研发成本和周期，还能协调飞机航线及地面交通。

郭刚认为，量子计算机可能先被应用于军事、航天、大气等领域。在解决特定领域的难点问题后，再通过归纳分析、找出规律，验证其有效性，在此基础上提升效率，最后再被推广到其他民用领域。

“对人类而言，量子计算机的研发进展极其重要，但对其进展的宣传似乎有些过度。”韩正甫认为这不太合适。郭刚也坦言，量子计算机目前依旧停留在实验室阶段，虽然基础理论已基本完善，可离产业化还有很长的路要走。(记者 代小佩)

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