量子計算戰爭：一場(chǎng)國家實(shí)力和技術(shù)路線(xiàn)的雙重對抗

超越經(jīng)典計算但無(wú)法替代

從歷史的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，計算領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步。

1945 年，賓夕法尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)出第一臺通用電子數字計算機 ENIAC，它使用真空管控制電子來(lái)處理數據，每秒可執行 5000 次加法計算。

1947 年，晶體管的出現改變了一切；從 20 世紀 50 年代開(kāi)始，晶體管取代了許多系統中的真空管，計算機速度更快。

1964 年，現已解散的 Control Data 公司推出了 CDC 6600，這是世界上第一臺超級計算機——CDC 6600 以晶體管為基礎，集成了一個(gè)具有 2 MIPS（ Million Instructions Per Second） 性能的 60 位處理器。

發(fā)展到今天，智能手機比早期的計算機更快。以 iPhone 12 為例，它采用了基于臺積電 5nm 工藝的 A14 處理器，A14 包含 118 億個(gè)晶體管，具有 6 核 CPU 和 16 核神經(jīng)引擎，每秒可進(jìn)行 11 萬(wàn)億次操作。

在高性能計算方面，來(lái)自日本的富岳（Fugaku）超級計算機在 2021 年保持了其作為世界上最快超級計算機的地位。富岳由日本理化研究所（Riken） 和日本信息通信技術(shù)企業(yè)富士通（Fujitsu）構建，它采用基于 Arm 架構的 A64FX 處理器，擁有 7630848 個(gè)內核，可實(shí)現每秒 442 petaflops （petaflop 即每秒執行 1 千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運算）的性能。

目前，富岳正處于運行狀態(tài)，并被用于各種研究項目?！案辉朗状问褂昧嗽诖笮头?wù)器的通用 CPU 中所應用的技術(shù)，例如 7nm 工藝技術(shù)、封裝集成 HBM2、TB 級流媒體功能和片上嵌入式高性能網(wǎng)絡(luò )，”Riken 計算科學(xué)中心主任 Satoshi Matsuoka 在 2021 年 VLSI 技術(shù)和電路研討會(huì )上的一篇論文中寫(xiě)道。

“我們已經(jīng)進(jìn)入千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運算的時(shí)代，”美國光刻工具公司 D2S 首席執行官 Aki Fujimura 說(shuō)?！叭蛴性S多研究計算機正在接近百億億次計算（1000 petaflops）。十年之后，我們將擁有許多百億億浮點(diǎn)運算級別的計算機?！?/span>

事實(shí)上，業(yè)界需要更多的計算能力來(lái)解決生物技術(shù)、國防、材料科學(xué)、醫學(xué)、物理學(xué)和天氣預報方面當前和未來(lái)的問(wèn)題。

“我們需要以相同的價(jià)格提供更強的計算能力，需要解決的問(wèn)題越來(lái)越難，我們在服務(wù)上面臨的問(wèn)題也越來(lái)越多，” Fujimura 說(shuō)。

當然，在傳統計算持續進(jìn)步的同時(shí)，業(yè)界也積極發(fā)展量子計算——理論上，這些基于量子計算的新系統有望超越當今的超級計算機，從而加速新技術(shù)的發(fā)展。

在遙遠的未來(lái)，量子計算機有望在合理的時(shí)間內破解世界上最復雜的算法，包括 Shor 這一用于整數分解問(wèn)題的算法，以及可用于破解廣泛使用的公鑰加密方案 RSA。

量子計算最早誕生于 1980 年代，多年來(lái)取得了一些重大進(jìn)展：最近，有兩個(gè)系統實(shí)現了“量子霸權”，這意味著(zhù)量子計算機可以做經(jīng)典計算機不能做的一些事情。

盡管如此，量子計算仍處于起步階段，一方面量子計算系統在不斷進(jìn)化，另一方面，人們也在不斷尋求利用量子計算系統找到對應的應用領(lǐng)域。IBM 量子硬件系統開(kāi)發(fā)總監 Jerry Chow 說(shuō)：

當今存在的所有系統主要用于探索未來(lái)的量子應用，包括用于量子化學(xué)的變分量子算法，以及用于機器學(xué)習的量子核估計方法。從基準測試和自身性能表征的角度來(lái)看，今天部署的系統也很有趣，并且能夠理解潛在的噪聲源，以改進(jìn)這些系統的未來(lái)迭代。另一方面是探索量子糾錯的概念。

不過(guò)值得注意的是，即使量子計算機釋放了潛力，它們也不會(huì )取代今天的計算機。“對于某些類(lèi)型的計算問(wèn)題，量子計算顯然是一項重要的未來(lái)技術(shù)。素數分解是眾所周知的另一項量子計算遠優(yōu)于經(jīng)典計算的運算，”D2S 的 Fujimura 說(shuō)?！霸谀撤N程度上，量子計算是經(jīng)典計算的增強版。在更大范圍內，量子計算不會(huì )取代經(jīng)典計算，經(jīng)典計算更適合我們需要計算的許多任務(wù)?！?/span>

今天的量子計算機與眾不同，類(lèi)似于巨大的枝形吊燈；這些系統安裝在稀釋冰箱中，能夠保護處理器和其他部件免受外部噪音和熱量的影響。該裝置將設備冷卻到 10 至 15 毫開(kāi)爾文之間。

量子處理器就是一個(gè)量子系統，該處理器包含一些量子位。這些量子位有兩種配置，一個(gè)量子位門(mén)和兩個(gè)量子位門(mén)。假設有一個(gè)具有 16 個(gè)量子位的量子處理器，量子位排列在二維 4 X 4 陣列中。前三行（從上到下）可能由一個(gè)量子位門(mén)組成，最后一行可能有兩個(gè)量子位門(mén)。

在經(jīng)典計算中，將一個(gè)數字輸入計算機，經(jīng)過(guò)計算函數就會(huì )有一個(gè)數字輸出。但在量子計算機中，處理功能十分復雜。

“如果你有 'n' 位，你就有 2 的 n 次方的數據量。這是數量呈指數級增長(cháng)的狀態(tài)，一次只能處理一個(gè)狀態(tài)。因此，它是指數時(shí)間或空間指數，”麻省理工學(xué)院 (MIT) 教授威廉奧利弗在視頻演示中解釋道?！傲硪环矫?，量子計算機可以將這 2 的 n 次方個(gè)不同的組件同時(shí)放入一個(gè)疊加態(tài)。這就是我們在量子計算機中看到的指數級加速的基礎?！?/span>

量子計算機還有其他優(yōu)點(diǎn)?！盀榱耸沽孔佑嬎銠C的能力加倍，你只需要增加一個(gè)量子比特。它是指數級的。為了讓量子計算機在摩爾定律方面跟上經(jīng)典計算機，他們只需要每 24 個(gè)月增加一個(gè)量子比特，”Moor Insights & Strategy 的分析師 Paul Smith-Goodson 說(shuō)。

不過(guò)，上述情況都處于理想狀態(tài)下；實(shí)際操作中，存在一些阻礙量子計算發(fā)揮其全部潛力的因素。

據 IBM 稱(chēng)，由于噪聲，量子比特通常會(huì )在 100 微秒內失去其特性。這就是為什么量子比特必須在極冷的環(huán)境中運行?！傲孔颖忍貙λ鼈兊沫h(huán)境非常敏感，”美國晶圓探針公司 FormFactor 的 Leong 說(shuō)?！霸诜浅：浠虻蜏氐沫h(huán)境中使量子比特環(huán)境安靜是至關(guān)重要的?！?/span>

此外，噪聲還會(huì )導致量子比特出錯，正因如此，量子計算機需要糾錯。

最重要的是，業(yè)界需要擴展具有數千個(gè)量子比特的量子計算機，目前的狀態(tài)與這個(gè)數字相差甚遠。

總而言之，量子計算需要一些突破?！皩τ谡麄€(gè)領(lǐng)域，我們需要讓量子比特比我們今天制造的更好，”英特爾的克拉克說(shuō)?！皩ξ襾?lái)說(shuō)，最大的挑戰是如何連接它們。每個(gè)量子比特都需要自己的電線(xiàn)和控制箱。在 50 或 60 個(gè)量子比特狀態(tài)下，有效控制較容易，但數量達到一百萬(wàn)個(gè)時(shí)，就不能很好地工作?！?/span>

制造高良率的量子比特也很關(guān)鍵，Onto Innovation 和其他公司正在圍繞該技術(shù)開(kāi)發(fā)計量控制系統。

“現在，我們已經(jīng)對一些晶圓或試樣進(jìn)行了測量，"Onto 高級副總裁 Kevin Heidrich 表示：“量子領(lǐng)域大多數基礎技術(shù)背后的關(guān)鍵是利用為經(jīng)典計算開(kāi)發(fā)的制造技術(shù)。然而，許多人正在調整設備、設計和集成，以啟用量子/量子位設備。我們的主要工作是使精確和特征化的設備能夠實(shí)現各種形式的量子計算，例如光子或自旋量子位。我們的重點(diǎn)是提供計量解決方案，使我們的開(kāi)發(fā)合作伙伴能夠最好地描述其早期設備的特性，包括精確的側壁控制、材料厚度和接口質(zhì)量等?！?/span>

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超導量子比特進(jìn)展最大，

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)領(lǐng)跑

根據《量子計算報告》（the Quantum Computing Report），如今有 98 個(gè)單位在研究量子計算機或量子位，其中，企業(yè)正在開(kāi)發(fā)的量子位類(lèi)型包括離子阱（Ion trap）、中性原子（Neutral Atoms）、光子學(xué)( photonics)、硅自旋（Silicon Spin）、超導和拓撲( topological)。

值得一提的是，以上每種類(lèi)型都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，現在比較哪種技術(shù)更好，還為時(shí)過(guò)早。

“我們真的不知道哪種技術(shù)將成為構建大規模容錯機器計劃的正確技術(shù)。一些公司有五年路線(xiàn)圖，可以讓他們擁有足夠的量子位來(lái)做一些真正有意義的事情?！?/strong> 來(lái)自分析機構 Moor Insights & Strategy 的 Smith Goodson 說(shuō)：“在安裝基數上，IBM 擁有大量機器，它有超過(guò) 20 臺的量子計算機，且沒(méi)有人能與之匹敵。它圍繞著(zhù)這些量子計算機建立了一個(gè)龐大的生態(tài)系統，很多大學(xué)與公司都與其進(jìn)行合作?！?/span>

到目前為止，超導量子位取得的進(jìn)展最大。在這一類(lèi)別中，D-Wave 公司通過(guò)使用量子退火（quantum annealing,一種解決優(yōu)化問(wèn)題的技術(shù)）獲得了關(guān)注。例如，如果你遇到一個(gè)組合型問(wèn)題，量子退火系統可以從眾多組合中搜尋到最佳的那一個(gè)——目前這些能力已經(jīng)在某種程度上得以證明。

大部分真正在量子計算機市場(chǎng)上活躍的，是超級計算量子比特。Google、IBM、Intel、MIT、Rigetti、USTC 和許多其他公司都在這一領(lǐng)域開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

超導量子位圍繞約瑟夫森結（ Josephson junction）構建，約瑟夫森結又被稱(chēng)為超導隧道結，通常是由兩個(gè)超導體構成，被一個(gè)非常薄的非超導電層隔開(kāi)，在操作中，電子會(huì )配對并穿過(guò)約瑟夫森結。

2014 年，IBM 展示了一個(gè) 3 比特的設備；到今天，IBM 出售的量子計算機已經(jīng)達到 65 比特。最新的量子計算報告顯示，在超導領(lǐng)域 IBM 的整體量子比特數仍處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

而在非正式排名中，第一位由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)保持，有 66 個(gè)量子比特；IBM 緊隨其后，擁有 65 個(gè)量子位，其次是谷歌，擁有 53 個(gè)量子位，英特爾（49）和 Rigetti（32）。

當然，量子比特數并不是構建量子計算機的唯一要素 ，還必須具有相對較長(cháng)的相干時(shí)間（coherence times）和門(mén)控保真度（gate fidelities）?！傲孔颖忍睾土孔犹幚砥魇橇孔佑布暮诵牟糠?，”IBM 的 Chow 說(shuō)?！耙獦嫿孔佑嬎銠C或量子計算系統，我們不僅需要量子硬件，還需要控制電子設備、經(jīng)典計算單元和運行量子計算程序的軟件?！?/span>

在這方面，IBM 提供了 一種開(kāi)源量子軟件開(kāi)發(fā)工具包 Qiskit?！拔覀兊哪繕耸亲岄_(kāi)發(fā)者社區廣泛參與并建設量子生態(tài)系統，將量子計算機作為用戶(hù)研究和業(yè)務(wù)的基本工具，”Chow 說(shuō)。

業(yè)界同樣需要具有數千個(gè)量子位的系統，雖然廠(chǎng)商們在這方面還有很長(cháng)的路要走，但這個(gè)結果是可期的。

2019 年，谷歌的 53 量子位處理器 Sycamore 在 200 秒內完成了一次計算任務(wù)。谷歌聲稱(chēng)，一臺超級計算機完成同樣的任務(wù)需要大約 10000 年的時(shí)間。

緊接著(zhù)，2021 年 6 月，中國科技大學(xué)發(fā)表了一篇關(guān)于 66 量子位超導量子處理器“祖沖之”的論文。在計算中，中國科技大學(xué)使用了 56 個(gè)量子位，其執行任務(wù)的速度比谷歌的 53 量子位處理器快 2 到 3 倍。

中國科技大學(xué)教授潘建偉在一篇論文中表示：“我們預計，這種大規模、高性能的量子處理器可以讓我們在不久的將來(lái)能夠在經(jīng)典計算機之外尋求有價(jià)值的量子應用?！?/strong>

這些來(lái)自中國和其他地方的結果有待進(jìn)一步討論。很多企業(yè)和機構不使用任何基準來(lái)報告他們的結果，包括能夠表達量子計算機有效性的指標——量子體積。

“這一切都不僅僅取決于量子比特。我們不知道這些系統中有多少能正常工作，如果沒(méi)有糾錯功能以及沒(méi)有明確的目標，你能添加你所用想要的量子比特，但它永遠不會(huì )變得更強大，”來(lái)自 Moor Insights & Strategy 的 Smith Goodson 說(shuō)。

除了中科大，超導量子比特在其他單位也得到發(fā)展：

• Rigetti 推出了多芯片量子處理器，預計今年年底實(shí)現 80 量子位系統。

• 今年年底，IBM 將發(fā)布 Eagle，一款 127 量子比特的量子處理器。此外，IBM 正在開(kāi)發(fā)預計 2022 年推出的 433 量子位處理器，以及預計 2023 年推出的 1121 量子位設備。

• 谷歌找到了一種降低量子比特錯誤率的方法，它還計劃到 2029 年開(kāi)發(fā)出 100 萬(wàn)個(gè)量子位處理器。

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