“自然界并不完全是按照經典力學來運轉的，如果你想對自然界進行模擬，你最好采用量子力學的方式。” 這是1981年5月，美國理論物理學家理查德·費曼在一場演講中提出的一種想法——用量子計算機來模擬經典計算機難以模擬的量子系統的演化。在費曼這一影響深遠的演講之后，關于量子計算的研究便轟轟烈烈地展開了。 如今，距離這場演講已經過去40年，包括量子計算在內的整個量子信息學科也從最初鮮少有人關注到成為前沿科技領域的焦點之一。

從基礎理論到突破性的實驗進展，量子計算正逐步走進現實。 就在剛過去的10月份，2022年的諾貝爾物理學獎頒發給了三位量子信息科學領域的科學家——阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·塞林格，以表彰他們在量子信息科學方面作出的突出貢獻。 ? 近兩年，與量子計算相關的資訊越來越多，但量子計算本身十分抽象，與傳統計算相比要更加復雜，以至于外界對量子計算或量子力學的調侃在網絡上廣為流傳，比如“遇事不決，量子力學”“科學的盡頭是玄學”等。 那么，到底什么是量子計算？我們又該如何正確理解這個技術和產業的價值？ ?

打破“后摩爾時代”的算力危機

當下，人類社會正朝著“數智時代”前進，海量數據及其在提升經濟社會效益方面起到的巨大作用，使得處理數據所需要的算力的重要性愈加凸顯，進一步提升算力也因此成為數字社會發展的迫切需求。 自經典計算機發明以來，算力增長一直遵循“摩爾定律”。根據該定律，單位面積上的晶體管的數量每18個月將翻倍一次，與之相應的是計算機性能（即算力）也隨之翻倍。 ? 然而，傳統計算機所用的硅電芯片上的晶體管的數量，將逐漸達到物理極限，硅電芯片發展所面臨的瓶頸——算力、數據傳輸和存儲也日漸凸顯。 為了應對算力挑戰，打破“后摩爾時代”的算力危機，目前先進計算技術從單點計算性能的提升與算力系統的高效利用兩個方向著手突破，產業界已經出現多種具有廣泛市場前景的算力技術和硬件 。而在各類算力相關的技術中，量子計算尤為受關注。

一般來說，量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，它與現有計算模式完全不同。在理解量子計算的概念時，通常將它與經典計算相比較。經典計算使用二進制的數字電子方式進行運算，而二進制總是處于0或1的確定狀態。量子計算借助量子力學的疊加特性，能夠實現計算狀態的疊加。它不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加態。 ? ? 這種疊加態，我們可以用“薛定諤的貓”來形象化地進行闡釋。

1935年，奧地利物理學家薛定諤提出了一個關于貓的著名思想實驗，在這個實驗里，一只貓和少量放射性物質被放進一個盒子里，貓被放射性物質殺死的概率為50%。從經典物理學的角度來看，在盒子里的貓只有兩種結果：生或死。而結果只有當觀測者打開盒子時才能知道。而站在量子力學的視角，處于密閉盒子中的貓的生死狀態是一種不確定的疊加狀態，只有當盒子打開后，在外部觀測者觀測時，物質以粒子形式表現后，貓是死是活的狀態才能確定 。而關在盒子里的貓生死疊加的狀態，正是量子的疊加性的宏觀闡述。 科學家們認為，基于量子的疊加特性，量子計算機在特定任務上的計算能力將會遠超任何一臺經典計算機。這就是所謂的“量子計算優越性”或“量子霸權”。科學家們預計，當可以精確操縱的量子比特超過一定數目時，量子計算優越性就可能實現。 ?

超越“圖靈”的新可能

1936年，阿蘭·圖靈以一篇著名的論文《計算機器與智能》宣告了現代計算機科學的誕生，自此，人類開始步入機器智能時代。與圖靈思想相關的理論也成為“統治”經典計算機領域此后幾十年發展的主流理論，例如“強邱奇-圖靈”論題（任何算法過程都能用圖靈機有效仿真）。 但人類總是在對自我的挑戰中獲得更大的發展，對“強邱奇-圖靈”論題的挑戰也推動了量子計算機的誕生。

簡單來說，量子計算機就是使用量子器件制造，利用量子的疊加與糾纏特性，運行量子算法與量子軟件的新型計算設備。在處理某些特定問題上相對于經典計算機具有指數級別的加速優勢。 谷歌在 2019 年推出了名叫“懸鈴木”的量子計算機，率先宣布實現了量子優越性，“懸鈴木”包含53個量子比特的芯片，花費200秒就可以對一個量子線路取樣一百萬次，如果用當時世界排名第一的超級計算機“Summit”完成同樣的任務則需要一萬年。 盡管IBM的科學家對Google宣稱實現了“量子優越性”存有異議，但這一突破無疑是量子計算領域的一項重大技術進步，也因此，“量子優越性”被《麻省理工科技評論》評選為2020年“全球十大突破性技術”之一。

過去 20 年里，多項與量子計算相關的技術入選《麻省理工科技評論》“全球十大突破性技術”，包括2003 年入選的“量子密碼”、2005 年的 “量子導線”、2018 年入選的“材料的量子飛躍”、2020年入選的“量子優越性”等。 現階段，量子計算雖然還處于發展早期，但也已經開始對金融、醫療、通信等多個行業帶來影響。業界認為，量子計算將在新藥開發、人工智能發展、破解加密算法、氣象預報、石油勘探等領域有很好的應用前景，并可揭示高溫超導、量子霍爾效應等復雜物理機制，為先進材料制造和新能源開發等奠定科學基礎。 麥肯錫咨詢公司一份關于量子技術的檢測研究則顯示，2021年量子計算市場的資本投入持續飆升，其中，制藥、化工、汽車和金融這四大行業將有望成為量子優勢的關鍵受益行業 。

根據DeepTech發布的《2022先進計算七大趨勢》報告，2021 年度量子計算硬件及軟件公司共完成42筆融資，融資總額約26.91億美元，超過以往的總和。 2022年8月，波士頓咨詢集團發布的一份報告預計，量子計算在未來15到30年內，將創造450億-8500億美元的價值。量子計算的遠大前景也吸引了國家、企業競相展開產業布局與技術研發。

2022年9月13日，世界經濟論壇發布《量子計算現狀：構建量子經濟》報告指出，2022年，量子技術相關的公共和私人投資總額達到355億美元 。 全球知識產權綜合信息服務商IPRdaily中文網發布的全球量子計算技術發明專利排行榜（TOP100）顯示，截至2022年10月18日，全球公開的量子計算領域發明專利申請數量前100名企業主要來自18個國家和地區，其中美國占比40%，中國占比15%，日本占比11%。

榜單上，位列前三的美國科技公司IBM、Google和加拿大量子計算公司D-Wave分別擁有1323件專利、762件專利和501件專利；來自中國的本源量子和百度網訊分別以234件專利、186件專利躋身前十，分列第六位和第八位 。 從專利數據來看，全球量子計算產業正處于高速發展階段。國內外多個企業都在量子計算領域積極布局并取得不錯的成果，我國也迎來了量子計算研究的里程碑時刻。 ?

進擊的中國量子計算

在我國，量子計算產業的發展受到政策的高度支持。其中，2015年5月，國務院頒布的《中國制造2025》中提到：積極推動量子計算、神經網絡等發展，將量子通信納入新一代信息技術產業；2016年7月，國務院發布的《“十三五”國家科技創新規劃》中，量子通信與量子計算機被選擇納入體現國家戰略意圖的重大科技項目之一；2022年1月國務院發布的《“十四五”數字經濟發展規劃》提出要瞄準傳感器、量子信息等前瞻性領域，提高數字技術基礎研發能力。

在政策帶動下，中國量子計算賽道也迎來快速發展。2020年，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建出76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，實現了 “高斯玻色取樣” 任務的快速求解。“九章” 處理高斯玻色取樣的速度，比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，比谷歌超導比特量子計算原型機 “懸鈴木” 快一百億倍。舉例來說就是，在室溫下運行并計算玻色采樣問題，同樣處理 100 億個樣本，“九章” 需要 10 小時，超級計算機需要 1200 億年。此后，中科大潘建偉教授與中科院上海微系統與信息技術研究院等多方進行合作，成功打造出量子計算原型機“九章二號”。

“九章二號” 高斯玻色取樣任務快速求解速度再次刷新了國際光量子操縱的技術水平。 ? 除九章和九章二號之外，2021年，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊與中國科學院上海技術物理研究所合作，構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解。“祖沖之二號”的求解速度比全球最快的超級計算機快1000萬倍以上，計算復雜度比谷歌的“懸鈴木”提高了6個數量級?。 企業方面，兩家在量子計算專利數量上位列全球前十的企業——百度和本源量子所取得的成果也令人矚目。今年8月，百度發布超導量子計算機“乾始”和首個全平臺量子軟硬一體解決方案“量羲”，集量子硬件、量子軟件、量子應用于一體，提供移動端、PC端、云端等在內的全平臺使用方式。本源量子在2021年9月10日發布的未來五年量子計算技術規劃路線圖顯示，到2025年，本源量子將突破1000位量子比特，達到1024位量子比特。

編輯：黃飛

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