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整理 | 蔣寶尚
2019年是量子計算占據新聞熱點版面的一年，從1月份IBM公布全球首款商用量子計算原型機到9月份谷歌宣告在全球首次實現“量子霸權”。
這一年在量子計算的歷史上將具有里程碑的意義，因為它意味著量子計算的時代將會到來。
量子計算離我們到底還有多遠？實現大規模的商用還需要多長時間？當前的技術狀態處在什么時代？
3月28日，在CCF YOCSEF總部AC委員、總部侯任學術秘書、北京交通大學工業互聯網安全研究中心主任陶耀東，CCF YOCSEF 總部AC委員、北京交通大學計算機與信息技術學院教授王偉主持下，CCF YOCSEF（中國計算機學會青年計算機科技論壇）舉辦了“量子計算機離我們還有多遠？”線上論壇，針對此主題，來自合肥本源量子計算科技有限責任公司的張輝博士做了“量子計算機的發展概況與應用前景”的報告。來自騰訊量子實驗室的鄭亞銳博士做了“實現量子計算，我們還需要做些什么？”的報告，清華大學終身副教授Kihwan Kim（金奇奐）做了“Quantum Computation with Trapped Ions”的報告。
另外，中山大學數據科學與計算機學院李綠周教授，國防科技大學強曉剛博士作為特邀嘉賓也進行了發言。天津理工大學教授羅訓、人民郵電出版社高級策劃編輯賀瑞君擔任線上主席。
AI科技評論對報告“量子計算機的發展概況與應用前景”的整理已經發布，現在騰訊量子實驗室鄭亞銳博士“實現量子計算，我們還需要做些什么？”的報告也已經整理完畢，現在發布，請欣賞~
鄭亞銳：博士畢業于中國科學院物理研究所。主要研究領域為超導量子計算。在超導量子芯片的設計與仿真，量子芯片的微加工制作，高精度量子比特控制，高精度量子比特讀取，量子耦合器，雜化量子系統等方面有著多年的研究經驗。目前是騰訊量子實驗室的硬件負責人，致力于推動量子技術的發展與落地。
在報告中，鄭亞銳博士介紹了量子比特的測控精度、量子糾錯和NISQ等量子計算機開發關鍵問題，并在量子領域的可持續發展等方面分享了他的觀點。
鄭亞銳博士認為量子計算至少需要十年才可能真正實現有價值的商業落地，谷歌宣稱要在10年之內實現100萬個量子比特其實有些激進，但是考慮到谷歌的強大實力，也不排除10年內實現的可能性。在2018年，IBM宣稱他們的“Quantum volume”可以每年翻一倍，Quantum volume相當于量子比特的有效比特位數，每年一倍的任務對比谷歌十年100萬個比特非常接近。霍尼韋爾每年提升十倍性能的宣傳比谷歌、IBM更加激進，如果以十年的維度來計算，霍尼韋爾大概是100億倍的性能提升，這就有些過分宣傳。
經典計算機用高低電壓代表0、1進行計算，在量子比特里面，則用量子態計算。量子比特本身遵循量子力學的疊加原理，1個量子比特可以處于0和1的疊加態上，N個量子比特實際上可以處于2^N個量子疊加態上。
所以，量子態的數量和量子比特數量呈指數增長關系。在1980年，費曼教授就提出疑問：隨著量子比特數量的增長，其復雜度呈指數增長，是否可以直接利用量子力學計算量子力學的一些問題？量子計算的概念從那個時候起慢慢發展成了一個比較系統的學科。
如何做一個量子計算機呢？有三個要求，首先要有量子比特；然后有一個高保真度的量子操作，所謂的量子操作，可以類比成經典計算機里面的非門、與非門、或門這些基本的門操作；最后要執行算法，就需要足夠多的量子比特進行運算。
這三個問題看起來簡單，但做起來卻不簡單。首先，什么材料可以作為量子比特？現在人類已經挖掘出非常多的量子計算載體，包括超冷原子、離子阱、光子、超導量子比特，都可以用來做量子計算。這些體系有各自的優缺點，目前還不知道哪一種體系一定能夠最終實現量子計算，但目前發展比較快的是超導量子比特和離子阱。
超導量子比特最重要的優勢，在于其結構類似于電路，能夠采用傳統的集成電路工藝幫助快速實現大規模量子比特系統制造。
這種技術近幾年發展特別快，借用IBM和谷歌的研究，從上面左圖可以看到超導量子比特退相干時間大概兩到三年就會翻一倍，現在整個量子比特的性能也比十年前好很多。在2005年，退相干時間還是1微秒的級別，現在量子比特退相干時間已經有幾百微秒。比特數量增加也非常快。
2019年谷歌發布了具有53個量子比特的芯片，其實在2017年的時候，谷歌已經有72個比特的量子芯片，53對比72數量看起來沒有增加，其實復雜度比以前增加了很多。
某種程度上，53個量子比特能夠達到100多個比特的芯片級別。除了退相干時間和量子比特數量之外，超導量子比特門操作的保真度非常高，在2014年，已經達到了99.4%，谷歌最新的量子芯片保真度會更高，可能有99.6%，超過了糾錯閾值。
回過頭看，如何造一個量子計算機？首先我們要有量子比特，然后要有高保真度的量子操作，足夠多的量子系統。超導目前已經大體能夠滿足這三個要求，此技術也達到了一個門檻。
上圖來自IBM，說明了量子計算后面發展的可能路徑。從下往上看整個方塊的疊加，最底層為Physical Quantum Processor，是物理層面的概念。
量子芯片首先要有量子比特，有了量子比特，然后研究如何控制，隨后是讀取量子比特。在讀取和控制達到比較高的保真度之后，然后對量子系統做Quantum error Correction，也就是量子糾錯，此操作的主要目的是為了進一步提升量子系統操控的精度。
其實，超過99%的操控精度，不夠實現量子算法的實際應用。但是科學家非常聰明，既然直接做出高保真度的門不容易，那為什么不使用很多個量子比特呢？所謂的量子糾錯就是借鑒經典計算機糾錯概念，確保最后達成總的等效的量子操作，可以達到比較高的保真度。
在這個基礎上，可以依靠大量的量子比特達成非常高保真度的量子操作，用更多的量子比特實現有價值的量子算法落地，就到了Logical Quantum Processor，也就是邏輯層面的量子處理器。在邏輯層面需要突破的技術和物理層面的量子處理器一樣，需要控制和讀取，最后才能實現有價值的量子算法。
從最終的目標來看，要實現量子計算應用的落地，理論上大概需要達到100萬個量子比特，用這個數量做量子糾錯之后，會形成大約有1000多個邏輯量子比特的規模，如此規模足夠落地應用。
從數據上來看，單比特門需要達到99.99%的精度，雙比特門需要達到99.9%的精度，讀取也需要達到非常高的保真度。目前雙比特門已經可以到99.4%，保真度已經非常接近算法落地的目標。下一步重要的問題在于提高比特數量的同時，確保量子比特的門保真度不會下降，這也是當前學術界主要研究重點。
技術角度怎樣解決這兩個問題呢？先從超導量子比特角度，觀察超導電路轉化過程。上圖左邊是一張簡單的示意圖，線條可以認為是超導體的線條，電路的下面有一個圓環，圓環上面有兩個黃色的小方塊，這兩個小方塊叫約瑟夫森結，用它可以組成超導量子干涉器，叫SQUID。
上圖右方能看到兩個小山峰，可以認為是一個粒子在這個山峰里面滾來滾去的系統，把這個系統量子化之后，就可以劈裂成一系列分粒的能級，就可以利用這些能級進行量子操作。量子操作需要控制、讀取。
讀取就是上圖黃色標記（Re-out），可以認為通過一根輸入線和一根輸出線，就可以讀取量子比特的狀態。單個比特很容易畫電路結構，但如果有一排，只能借鑒印刷電路的結構，通過設計一排的量子比特來進行量子計算的各個研究。
顯然一排的結構不太適用于實際的應用需求，還需要二維的陣列結構，但是二維的陣列結構中量子比特的控制線以及讀取很難實現。這也是量子比特的數量提升會遇到瓶頸的原因。解決這個問題的基本思路是增加維度實現布線的可能性。
2014年，谷歌已經有了這個想法，通過借鑒傳統的半導體工藝（Flip-Chip的工藝，倒裝焊）把兩個芯片對接扣到一起，從而實現布線。上圖右上角是谷歌的Sycamore處理器，它是由兩個芯片貼合而成，上面的芯片就是比特，下面芯片就是布線。
谷歌通過這種方式實現了二維比特陣列的控制和讀取。此概念可以再進一步發展，不僅局限于兩個芯片，可以把很多層的芯片貼合到一起，這就是多層堆疊技術，麻省理工Lincoln Lab也已經實現這項技術。所以，在這樣的技術突破基礎上，布線可能就不會成為阻礙比特數擴張的攔路虎。
另一個問題是如何提升比特門的操作精度。目前，比特門的操作精度受限于退相干時間，簡單來說，這個問題已經轉換成如何在提升比特數量的同時，還能夠提升量子比特的相干時間。
根據研究，可以認為超導量子比特的退相干主要是受TLS影響，TLS就是兩級系統(Two level System)，超導量子芯片的襯底和表面可能有一些缺陷雜質，能形成亞穩態或者半能級系統，會干擾超導量子比特的運行。提升超導量子比特的退相干需要把缺陷雜質去除，把超導量子芯片電路做得越干凈，退相干性能就會變得越好。
所以，從根源上來說，需要從材料和工藝兩個方面進行改進，從超導量子計算的發展來看，業界對材料做了非常多的創新和改進，兩到三年的時間增加了一倍的退相干時間。
在超導量子比特剛剛出現時候，都沒意識到材料問題。因為超導量子比特出現非常晚，到目前為止，也就只有21年的歷史。今年是超導量子比特發現的第21年，它的退相干性能從小于一微秒，迅速提升到兩三百微秒，靠的就是材料和工藝的更新。
早期的量子比特用的都是非常傳統的材料，半導體經常用到的材料也是量子比特的選擇，但是退相干性能比較差，小于一微秒。基于這個原因，研究人員當時對超導量子計算并不寄予厚望。
所以，當時的想法是用來做基本的研究，研究量子力學的基本問題，如果拿它來做量子計算還是存在差距。2007年，研究人員換了一種電容結構。2013、2014年，谷歌又提出了很多工藝的革新，包括設計上也做了一些更新。退相干時間迅速提升到百微秒的級別。
在今年，也有科學家發明了新的材料，比如鉭這種金屬可能把比特的退相干時間進一步提升到幾百微秒的量級。這對研究人員非常鼓舞，超導量子計算的發展時間雖然短，但是21年的發展期間，一直保持著非常快的進步速度。目前新工藝、新材料也沒有達到瓶頸，比如可以用超高真空的封裝讓電路的表面更加干凈。
對于超導量子比特退相干時間的提升，研究人員比較樂觀，預期提升到毫秒的級別毫無問題。毫秒是什么樣的概念呢？意味著一個量子比特，單比特可以達到5個9（99.999%）的保真度，雙比特有可能可以達到4個9（99.99%）的保真度。
根據目前已知的量子算法，真正產生實際應用價值還需要100萬個比特的規模，100萬個比特太過遙遠，至少十年才能實現這個目標，寄望于十年的技術突破，對行業發展非常不利。
于是研究人員考慮：100到1000個規模的量子芯片，能不能實現有價值的應用呢？上圖藍色2區域，在谷歌確定量子霸權的時候已經實現，從2走到3可能是谷歌下一步要走的路。在2和3之間，谷歌定義為近期應用，主要目的就是在2和3的中間，嘗試去找有價值的應用。
人們經常用上圖來對量子計算與經典計算做比較，谷歌有時候也會炒概念，比如量子計算機挑戰傳統的超級計算機。目前來說，傳統的超級計算機功能非常強大，遠遠強于我們目前所擁有的量子計算機的能力。從對抗的角度來看，量子計算機在十年之內可能毫無希望。
如果換一個角度考慮，量子計算的目的不是挑戰經典計算機的優勢，而是協同。能否突破以前單純靠經典計算機的困境，才是真正應該思考的方向。
量子計算領域如何進一步發展？
第一、最核心的關鍵問題是提升量子比特測控的精度；
第二、量子糾錯是使用量子計算機比較關鍵的步驟；
第三、實現100萬個量子比特之前，在100到1000的量子比特規模要去做NISQ的研究，這時候需要原型機啟發；
第四、量子領域可持續發展的問題要重視，因為有些觀點認為量子計算機肯定造不出來，這會對領域造成破壞；也不能過分樂觀，向公司投資者或者政府投資者過分地承諾，如果實際技術發展沒有那么快，可能會讓投資者失望，也會破壞這個領域；
第五、量子計算和經典計算的關系是非對抗的關系，量子計算很多技術來自經典計算；
第六、在量子計算技術發展過程中，企業有非常重要的地位，因為企業和實際的應用更加靠近，可能會帶來不一樣的想法，幫助量子計算找到真正的應用價值；第七、企業和科研院所應當更加開放，量子計算可能在短期內無法做到有價值的商業化落地，在此階段，過分強調技術保護可能不利于技術的發展。
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