文|李佳師
目前，全球關於量子的競賽如火如荼，尤其是當谷歌的“量子霸權”論文出來，引發各種口水戰。美國的量子口水戰引發全球產業對量子計算的進一步關注，中國的量子計算怎麼樣，大家同樣期待了解。12月12日，一家中國的量子創業公司--合肥本源量子計算科技有限公司在合肥高新區的一個舉動引起關注，其推動的“量子計算產業聯盟OQIA”正式掛牌。關於中國量子計算的現狀，關於中國量子計算與美國的主要差距，關於全球量子的主要挑戰，關於量子計算的今生與未來，日前《中國電子報》記者獨家採訪了合肥本源量子計算公司的副總裁張輝博士，張輝2008年獲得中科院量子信息重點實驗室光學博士學位，主要研究方向是低溫半導體電子輸運實驗研究和雙量子點中的量子信息理論研究。
中國量子計算與美國相差幾年？
可以說，2019年是美國“量子計算”的高光年，量子計算之所以引發關注是因為兩件大事，一是IBM公司將量子計算機搬到了年初的消費電子展CSE上，讓這個神秘的“計算大佬”真實的走到了大眾面前，另一個大事是谷歌在《自然》雜誌上發文，宣告量子霸權，引發一系列口水戰。而一直低調的中國量子計算與國外巨頭相比處於什麼水平？從量子位來看，中國現在研發出來的最高量子位又是多少？
張輝表示，從科研的水準上看，比如超導體系（谷歌、IBM主要技術路線）方向上，中國與國外有兩至三年的差距；半導體體系（intel主要技術路線）方向上，中外差距在一至兩年。然而，要將量子計算機整機實現出來，還會涉及到許許多多工程化、工藝化方面的問題和挑戰，這是我們國家相對薄弱的環節，考慮這個因素的話，中外差距會有4-5年，甚至更大。目前，國際上最主流的超導量子芯片方向上來看，今年下半年中科大潘院士團隊、浙江大學團隊、北京量子研究院團隊聯合研發實現了20位量子比特糾纏（量子糾纏是量子計算的部分功能）的工作，這是國內的最高水準。這距離谷歌、IBM的50多位的量子計算芯片仍有較大差距。
據透露，合肥本源量子公司將在明年搭建中國的第一臺量子計算原型機，它是全自主知識產權的。原型機將搭載6比特超導芯片，技術指標達到IBM在2016年時的工作水準；同時，原型機將搭載另一款2比特的半導體芯片，這相當於intel在2018年的水準。
據介紹，本源量子在2017年9月成立，由中科院量子信息重點實驗室孵化成立公司，其最大使命就是推進量子計算機的工程化、工藝化和商業化，把量子計算機從實驗室帶到現實中。本源量子明年推出量子計算原型機，目前已申報進入安徽省發改委攻堅計劃項目。如果明年順利完成原型機搭建工作，將標誌著我們國家有能力自主完成量子計算機的研發和生產。
哪種技術路徑能最快商業化？
目前全球各大公司在量子計算的推進上採取了不同的技術路線，有光學的，有超導的，本源量子採取什麼技術路線，商業化還需要多久。
張輝表示：“本源量子採取的路線與英特爾的技術路線有些相似。”記者此前採訪了英特爾公司美國研究院院長Rich Uhlig，其透露英特爾的量子計算研究是從兩個方向來推進的，既包含了超導量子，也包含自旋量子。在早期時候英特爾是行管齊下的方式進行研究的，最近英特爾內部已經將研究技術路線更聚焦在硅自旋量子計算上。
張輝介紹，本源量子採取的路線是超導和半導體兩種體系同時推進。IBM和谷歌的技術路線主要是超導，英特爾是兩種路線都在做，目前的進度看英特爾對硅基半導體量子更加側重，微軟則是基於拓撲量子計算的方式。
而從商業化的角度看，IBM商業化做得最好， 其對外宣稱是希望在5年左右時間達到商用化，谷歌對外宣稱量子計算機的商業化需要10年。“從國內發展情況來看，與IBM、谷歌肯定有差距，我們希望不斷縮小差距，但是估計還是需要10年以上才能商業化，預計是10~15年。”張輝說。
中國的量子聯盟與IBM的聯盟有何異同？
目前，包括IBM等公司是以產學研用組成聯盟的方式推進量子計算的協同合作，與他們相比中國的量子產業聯盟有什麼不一樣的地方？。
張輝表示，IBM在2017年推行了一個全球量子計算的產業聯盟，這個聯盟包括了高校、企業、用戶等。IBM的量子計算目前是商業化作的最好的公司，他們的聯盟是非常前沿和具有意義的。
“我們也是學習和借鑑了IBM的做法，今年12月12日，本源量子計算產業聯盟掛牌成立，聯盟的意義在於，本源有一個先進的計算機工具，但是缺乏比如金融、生物醫藥、材料等行業經驗和資源，希望通過聯盟方式找到合作伙伴，獲取各個行業的經驗、資源、以及所面臨的問題，把這些資源和問題梳理轉化成物理和數學模型，再用量子計算機和軟件算法去解決問題。”張輝說。 比如IBM聯合金融巨頭摩根大通公司來共同研究金融策略優化、海量數據檢索等問題，推動量子計算快速向金融領域應用落地。在真正的量子計算機實現之前，他們的做法是先進行算法研究，從理論上或簡單的模型上，驗證量子計算是否對解決相關問題有指數級加速的效果，這些成果他們通過申請知識產權和專利保護起來。
據張輝介紹，本源量子在2018年就開始了尋求聯盟合作的工作，找了一些國內在人工智能、生物醫藥、無人駕駛等領域的優秀企業，共同探索量子計算的應用場景，當時是純粹企業與企業層面的合作。在2019年，合肥高新區政府覺得這件事情很有意義，於是參與推進聯盟的工作。同時，高新區結合自身的雙創平臺和政策，期望量子計算的產業聯盟可以孵化出一批創業者、創業公司。
張輝透露，目前本源的產業聯盟與IBM工作類似，對聯盟夥伴分為：第一類是高校、研究機構，比如國內多家雙一流高校在這個聯盟裡，我們共同來培養量子計算的人才，並共同建立一些合作項目。第二類是應用面上或是產業鏈上的企業，比如人工智能領域的雲從科技、中科類腦，未來可以運用量子計算技術的，也包括比如做超低溫的中船鵬力等，提供了量子計算機的供應鏈上的支持。第三類是同行者，那些量子計算方向的企業，這點上來看，目前國內的情況相對較差，數量很少，不像美國除了巨頭公司外還有一兩百家創業公司，構建起了很好的生態，各有專長，相互支撐。“但是我們相信接下來一兩年，國內一定會有一批量子計算方向上的企業出來，希望後面有越來越多的夥伴出現。”張輝說。
據張輝介紹，今年6月份，本源量子發佈了全球第1款量子化學應用軟件chemiQ，這是一款有非常大應用前景的軟件，比如用於未來的生物製藥、材料發現等領域。目前，受限於的量子芯片發展處於初期，只能讓它演示氫分子、水分子等最簡單的分子模型。但隨著量子芯片的發展，尤其是比特數的提升，其將展現出越來越強大的功效。目前，本源已與生物醫藥方向上的企業開展前期的研究工作。
全球量子計算的主要挑戰是什麼？
關於全球的量子計算挑戰，張輝表示，從當前的技術發展來看，其實連最底層的物理載體到底是用哪個載體都還沒有定論。我們現在看到科研界比較多的是用光學體系、離子阱等技術來做量子計算研究。而在企業工程化方向上，這幾年量子計算機研究的主流是在超導和半導體方向上（我們統稱為其為固態器件）。這得益於人類技術的突破，在固態器件上把量子相干時間（即物理體系保持量子相互作用效應的時間），從原來的納秒級別（就是10的負9次方秒）提升到百微秒級（10的負4次方秒），就可以保證量子計算能夠操作幾百次到上千次。固態器件方向上的進步使得量子計算一下子變得特別熱，谷歌、IBM、英特爾等大批公司都押寶在這個方向上。
光學和離子阱等體系最大的優勢是相干時間很長，但其缺點是可擴展性和可操控性方面不理想。量子計算早期研究階段，用光學和離子阱體系的團隊很多，有許多出色的工作產生。而固態器件體系上，其最大的優勢是未來的可擴展性強、可操控性強，並基於人類在經典計算機上積累了大量先進的工藝技術，所以包括英特爾等電子計算機行業的巨頭企業都希望將量子計算機在超導和半導體上來實現。目前，固態器件方向上的研究，最大的挑戰是要提高相干時間和系統保真度。保真度可以理解為每次操作的成功功率，在計算機體系裡，為了實現每一次操作的精準性，會使用糾錯容錯的方式，這些都需要消耗額外多的物理比特資源。
雲計算巨頭為何熱衷量子云服務？
目前，包括IBM、微軟、亞馬遜等都在採用雲計算的方式提供有關量子訪問與服務給科學家和程序員，中國的量子計算與中國的雲計算廠商有合作計劃嗎?
張輝表示，利用雲計算來提供服務是在經典計算機領域上的經驗。這裡，先對於量子計算機有幾個誤區要消除，一是很多人會問量子計算機如此強大，是不是通用量子計算機造出來就會取代傳統的經典計算機？這是一個誤區，經典計算機功能很強、算法成熟，依然有很大的應用空間，而量子計算機只是解決一類問題比較強。所以，目前來看，量子計算機和經典計算機會是個需要融合的系統。二是量子計算機並不需要進入到每個企業甚至每個家庭，量子計算機目前看來造價非常昂貴，而且要求的工作環境極其苛刻。量子計算機造出來，它主要是用來解決需要巨大的算力的場景。就好比我們在經典計算時代，我們的經驗是通過雲端互動把超算資源服務給大眾即可，那麼這樣的經驗也可以用在量子計算上，我們通過電腦、手機等工具把需要量子計算機解決的問題提交給量子云，由其背後的量子計算機處理和解決問題之後把結果反饋給你。這是通用做法，所以包括IBM、微軟、亞馬遜都上線了量子云服務。
張輝進一步介紹，本源量子是在2017年年底上線的量子云的，清華、阿里、華為也都有量子云服務，這是通行做法，利用雲服務的方式給用戶和愛好者提供訪問和服務。本源量子的量子云服務目前主要是提供公司自主研發的開發軟件、彙編語言等，可以讓開發者在雲上進行學習。明年本源公司量子計算原型機出來後，會同步上線到雲端，雖然6個量子比特的量子計算機還是比較初級、比較笨的機器，但是可以讓開發者進行體驗。
張輝介紹說，目前還有一個比較主流方式是用經典計算機來提供量子虛擬機功能，就是用經典計算模擬量子芯片，這好比人類發射真正的宇宙飛船之前，會把宇航員放在個模擬倉裡讓他先適應和訓練一樣。量子計算可以用經典計算機模擬量子芯片的工作原理和運行邏輯，讓我們的很多軟件和算法在模擬器上先跑一跑，看他們是不是能夠跑起來，看看這些軟件和算法的邏輯是不是通的，驗證其趨勢是不是有明顯的指數級提升。現在我們用經典計算機可以模擬的量子計算環境最高可以達到200個比特以上。
量子計算如何跨越“死亡谷‘’？
據介紹，合肥本源量子是中國第一家量子計算方向的創業公司。按照張輝給出的介紹，本源量子的最大優勢是人才隊伍，以及依託著中科大的量子信息實驗室的先進研究技術，由中科大量子實驗室做“123”的工作，本源做“456”階段的工作。本源在過去兩年裡，受到國家政府和一些投資人的大力支持，種子輪和天使輪獲得了8000萬的融資，明年將開啟pre-A輪融資。
什麼是“123”、“456”呢？關於這個問題，張輝表示，我們常形容一個新技術從研發到走上市場成為產品的發展需要1到9步。“123”是技術的研發和探索階段，在高校實驗室或科研機構做，這個階段可以通過獲取國家科研經費來支撐。“789”是產品化、商業化的階段，我們國內許多巨頭企業，如BAT、華為等，都非常擅長這個階段的運作。而“456”的階段，是把技術從科研品轉化為市場產品的過程，很多人形容這個區域是個死亡谷，國內極少有人和企業願意跨在這個階段裡，既不能靠發文章拿錢，又無法實現商業盈利，本源量子就處在這個谷裡。“事實上，做量子計算是件非常燒錢的事，在我們實驗室裡僅儀器設備就投入了5,6個億，還要每天不斷的消耗各種資源，所以一般企業玩不起，尤其是硬件投入方面。”張輝說。相比來說，美國的研究生態要好得多，許多巨頭公司願意砸錢到“硬科技”的研究上，國家也能積極引導和給予支持，比如谷歌量子團隊在宣佈量子霸權之後谷歌再向團隊支持10億美金，支持他們向通用量子計算機前進。
既然量子計算如此燒錢，我們有必要投入如此巨大來做量子計算嗎？張輝說，當然有必要。隨著人類發展，對數據量的需求已經遠遠超出目前算力所及，需要不斷尋找新的算力突破。比如說人類研製新藥，傳統的方式是靠經驗篩選，經過一層層試驗，從小白鼠到最後用到人體上，一個新藥研製週期至少需要20、30年以上，而未來其中的很多環節都可用量子計算機來模擬，能大大縮短研發時間，其中的經濟價值和社會價值是無法估量的。聽上去量子計算機和我們百姓日常生活關係不大，但其實許許多多方面是息息相關的，未來你吃的藥、開的車、花的錢，背後都很可能是量子計算機在支撐著服務。
那麼，量子計算未來的商業市場大嗎？張輝回應說，想象空間無限大，人工智能、金融分析、生物醫藥、材料能源、氣象海洋、航空航天等等，都是量子計算所能輻射的領域。“我們常半開玩笑，做量子芯片的很可能誕生下一個’英特爾’，做量子軟件的有可能誕生下一個“微軟””，圍繞量子計算產業鏈上一定會誕生一批巨頭企業，還有無限想象的應用場景。
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