量子计算未来已到？

美国经济理论学习物理教育学家理查德·费曼在一场演讲中提出的一种自己想法——用量子计算机来模拟经典计算机技术难以进行模拟的量子通信系统的演化。在费曼这一问题影响具有深远的演讲之后，关于量子科学计算的研究便轰轰烈烈地展开了。

演讲结束40年后的今天，量子信息的整个领域，包括量子计算，自从第一次受到很少的关注以来，已经成为尖端科学技术的焦点之一。 从基础理论到实验的突破，量子计算正逐渐走向现实。

就在刚刚过去的10月，2022年诺贝尔物理学奖被授予量子信息科学领域的三位科学家——阿兰 · 阿斯佩克特(Alain Aspect)、约翰 · 克劳泽(John Clauser)和安东 · J · D · 塞林格(Anton J. D. Salinger) ，以表彰他们对量子信息科学的杰出贡献。

在过去的两年里，与量子计算相关的信息越来越多，但量子计算本身比传统计算更为抽象和复杂，因此量子计算或量子力学的外部嘲笑在网络上广泛传播。 例如，“事物不决定，量子力学”，“科学的终点是形而上学”等等。

那么，到底什么是量子计算？我们又该如何进行正确认识理解社会这个信息技术和产业的价值？

打破后摩尔时代的计算能力危机

在人类社会迈向“数字时代”的今天，处理海量数据所需的计算能力的重要性及其在改善经济和社会绩效方面的巨大作用越来越明显，因此，进一步提高计算能力已成为数字社会发展的迫切需要。

自经典计算机发明以来，计算能力的增长一直遵循摩尔定律。根据这一定律，每18个月，单位面积上的晶体管数量就会增加一倍，计算机性能(即计算能力)也会相应增加一倍。

然而，传统企业计算机系统所用的硅电芯片上的晶体管的数量，将逐渐可以达到一个物理学习极限，硅电芯片技术发展所面临的瓶颈——算力、数据进行传输和存储也日渐凸显。

为了应对后摩尔时代计算能力挑战，打破计算能力危机，先进计算技术在提高单点计算性能和有效利用计算能力两个方面取得了突破，业界出现了各种具有广阔市场前景的计算技术和硬件。 在与计算能力相关的各种技术中，量子计算尤其令人感兴趣。

一般而言，量子计算是一种新的计算模式，它遵循量子力学定律，规范量子信息单元，与现有的计算模式完全不同。当我们理解量子计算的概念时，我们通常将其与经典计算进行比较。经典计算采用二进制的数字电子形式，它总是处于0或1的确定性状态。量子计算可以利用量子力学的叠加特性实现计算态的叠加。它不仅包含0和1，而且还包含0和1的叠加。

我们可以用“薛定谔的猫”形象地解释这种叠加态。1935年，奥地利物理学家薛定谔提出了一个著名的关于猫的思想实验。在这个实验中，一只猫和少量的放射性物质被放进一个盒子里，这只猫被放射性物质杀死的概率是50%。从经典物理学的角度来看，盒子里的猫只有两种结局:生或死。而结果只有观察者打开盒子才能知道。从量子力学的角度来看，封闭盒子里的猫的生死状态是一种不确定的叠加态。只有打开盒子，由外部观察者观察，才能确定猫是死是活的状态。盒子里猫的生死叠加态就是量子叠加的宏观解释。

科学家们认为，基于中国量子的叠加特性，量子计算机在特定工作任务上的计算思维能力发展将会远超其他任何一台经典学习计算机。这就是我们所谓的“量子科学计算优越性”或“量子霸权”。科学家们预计，当可以进行精确操纵的量子比特超过自己一定数目时，量子理论计算优越性就可能无法实现。

1936年，艾伦·图灵以著名论文《计算机与智能》宣布了现代计算机科学的诞生，从此人类开始步入机器智能时代。 与图灵思想相关的理论也成为未来几十年“主导”经典计算领域发展的主流理论，例如“强丘图灵”主题（任何算法过程都可以用图灵机有效地模拟）。

但是人类在对自我的挑战中总是取得了更大的进步，而对“强教会-图灵论”的挑战则催生了量子计算机。简单地说，量子计算机是一种新型的计算设备，它使用量子设备运行量子算法和量子软件，利用态叠加原理和纠缠的特性。在处理某些问题时，它比传统计算机具有指数加速的优势。

2019年，谷歌推出名为“悬铃木”的量子计算机，率先宣布实现量子优势。“悬铃木”包含53个量子位芯片，对一个量子电路采样一百万次需要200秒。用当时世界排名第一的超级计算机“顶峰”完成同样的任务，需要一万年。

尽管IBM的科学家对Google宣称可以实现了“量子优越性”存有异议，但这一重要突破发展无疑是一个量子科学计算研究领域的一项具有重大信息技术不断进步，也因此，“量子优越性”被《麻省理工科技管理评论》评选为2020年“全球经济十大突破性技术”之一。

在过去的20年里，许多与量子计算相关的技术被列入麻省理工学院《科学技术评论》的“世界十大突破性技术”中 其中包括2003年选定的“量子密码学”、2005年选定的“量子线”、2018年选定的“材料量子飞跃”和2020年选定的“量子优势”。

目前，量子计算虽然还处于初级发展阶段，但已经开始影响到金融、医疗、通信等许多行业。业界相信量子计算在新药开发、人工智能开发、破解加密算法、天气预报、石油勘探等领域都有良好的应用前景，亦可揭示复杂的物理机制，例如高温超导和量子霍尔效应，为先进材料制造和新能源开发奠定科学基础。

麦肯锡公司对量子技术的一项测试研究显示，2021年量子计算市场的资金投入将继续飙升。其中，医药、化工、汽车、金融四大行业有望成为量子优势的重点受益行业。根据DeepTech发布的《2022年先进计算的七大趋势》报告，量子计算硬件和软件公司在2021年完成了42笔融资，总金额约为26.91亿美元，超过了之前的总和。

2022年8月，波士顿咨询服务集团公司发布的一份工作报告可以预计，量子计算在未来15到30年内，将创造450亿-8500亿美元的价值。量子科学计算的远大发展前景也吸引了国家、企业文化竞相展开相关产业结构布局与技术创新研发。

2022年9月13日，世界经济论坛发表了《量子计算的现状：建立量子经济》，其中指出2022年公共和私人对量子技术的投资总额为355亿美元。

根据《知识产权日报》(IPRdaily)发布的量子计算技术专利百强排行榜，截至2022年10月18日，量子计算领域的全球前100家公司来自18个国家，其中美国占40% ，中国占15% ，日本占11% 。

榜单上，排名前三的美国科技公司IBM、谷歌和加拿大量子计算公司D-Wave分别拥有1323项专利、762项专利和501项专利；来自中国的原创量子和百度网讯分别以234项专利和186项专利位列前十，分别位列第六和第八。

从专利进行数据分析来看，全球量子计算技术产业正处于高速发展教育阶段。国内外多个国家企业文化都在量子计算领域具有积极布局并取得不错的成果，我国也迎来了量子计算方法研究的里程碑时刻。

进击的中国量子计算

在中国，量子计算产业的发展受到政策的高度支持。 2015年5月，国务院发布《中国制造2025》，提出：积极推进量子计算和神经网络发展，将量子通信纳入新一代信息技术产业；2016年7月。 在国务院发布的《国家科技创新“十三五”规划》中，量子通信和量子计算机被列入体现国家战略意图的重大科技项目之一； 2022年1月，国务院发布了《数字经济发展第十四个五年规划》，提出要针对传感器、量子信息等前瞻性领域，提高数字技术基础设施的研发能力。

在政策可以带动下，中国作为量子理论计算赛道也迎来一个快速经济发展。2020年，中国社会科学管理技术企业大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究工作团队与中科院上海微系统所、国家通过并行使用计算机网络工程施工技术应用研究数据中心区域合作，构建出76个光子100个模式的高斯玻色取样量子模型计算原型机“九章”，实现了 “高斯玻色取样” 任务的快速提高求解。“九章” 处理以及高斯玻色取样的速度，比目前我国最快的超级学习计算机快一百万亿倍，比谷歌超导比特量子效率计算原型机 “悬铃木” 快一百亿倍。举例学生来说我们就是，在室温下运行并计算玻色采样时间问题，同样具有处理 100 亿个样本，“九章” 需要 10 小时，超级计算机教学需要 1200 亿年。此后，中科大潘建伟教授与中科院上海微系统与信息安全技术产业研究院等多方因素进行交流合作，成功打造出量子计算原型机“九章二号”。“九章二号” 高斯玻色取样主要任务能够快速有效求解方法速度再次刷新了国际光量子操纵的技术服务水平。

除了第九章和第九章二号，2021年，中国科大潘建伟、朱晓波、彭承志组成的研究团队与中科院上海技术物理研究所合作，构建了66位可编程超导量子计算原型“祖冲之二号”，实现了“量子随机线采样”任务的快速求解。“祖冲之二”的求解速度比世界上最快的超级计算机快1000多万倍，计算复杂度比谷歌的“悬铃木”高6个数量级。

企业管理方面，两家在量子科学计算方法专利产品数量上位列中国全球前十的企业——百度和本源量子所取得的成果也令人瞩目。今年8月，百度公司发布超导量子信息计算机“乾始”和首个全平台进行量子软硬一体学生解决问题方案“量羲”，集量子系统硬件、量子通信软件、量子理论应用于社会一体，提供一个移动端、PC端、云端等在内的全平台可以使用这种方式。本源量子在2021年9月10日发布的未来五年量子模型计算分析技术资源规划设计路线图显示，到2025年，本源量子将突破1000位量子比特，达到1024位量子比特。

基于多年的随访，麻省理工学院技术评论也对量子计算的发展有了更深入的理解和独特的见解。 根据DeepTech与MIT Technology Review联合出版的《技术之巅：全球突破性技术创新与未来趋势》（20周年纪念系列）一书，国际学术界现在认为，从2022年起，可编程通用量子计算机的实现需要15年或更长时间。但随着政策的推进、相关行业的升级和持续的资本支持， 大规模和商业量子计算将加速。