量子計算帶來算力飛躍提升

來源：人民郵電報 時間：2023-01-19 15:33:53 作者：中國信息通信研究院 王敬 賴俊森 李芳 趙文玉

　　如今，量子計算領(lǐng)域正在形成集科研攻關(guān)、工程研發(fā)、應(yīng)用探索和生態(tài)構(gòu)建于一體的全方位發(fā)展格局。量子計算可能帶來算力飛躍式提升并成為加速科技創(chuàng)新發(fā)展的“觸發(fā)器”與“催化劑”，其技術(shù)發(fā)展趨勢與應(yīng)用前景成為各方關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

　　技術(shù)發(fā)展迅速并取得諸多研究成果

　　近年來，在科技巨頭、高校科研機(jī)構(gòu)和初創(chuàng)公司的共同推動下，量子計算領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展迅速，在硬件研制、軟件算法研發(fā)、量子計算云平臺等方面取得一系列重要成果。

　　量子計算機(jī)是量子計算領(lǐng)域的重點(diǎn)攻關(guān)方向。目前超導(dǎo)、離子阱、光量子、硅半導(dǎo)體及中性原子等多種技術(shù)路線仍處于并行發(fā)展和開放競爭狀態(tài)。2019年Google發(fā)布了“量子優(yōu)越性”實驗的突破性成果，成為量子計算發(fā)展的標(biāo)志性事件。2020年，中科大構(gòu)建76光子的量子計算原型機(jī)“九章”，并在高斯玻色采樣問題中實驗驗證量子優(yōu)越性。2021年，中科大發(fā)布62超導(dǎo)量子比特處理器“祖沖之”號，實驗演示量子隨機(jī)路線采樣問題上量子優(yōu)越性。2022年，加拿大Xanadu表示完成216光子數(shù)高斯玻色采樣實驗，成為第二個光量子路線驗證量子計算優(yōu)越性的團(tuán)隊?？傮w而言，量子計算機(jī)的發(fā)展仍處于早期，現(xiàn)階段的量子計算機(jī)存在量子比特數(shù)較少、量子態(tài)操控精度不高、相干時間短等諸多問題，此外還可能面臨不同技術(shù)體系間量子態(tài)的導(dǎo)入、存儲、導(dǎo)出等方面的工程化挑戰(zhàn)。

　　量子計算軟件作為連接量子硬件與用戶的橋梁，目前尚處于開放探索階段。國外應(yīng)用廣泛的量子計算軟件包括IBM Qiskit、GoogleCirq、微軟量子開發(fā)工具包等。國內(nèi)也有本源司南、百度YunIDE、圖靈FeynmanPAQS等成果。量子計算軟件處于發(fā)展迭代起步階段，研究成果層出不窮，但整體成熟度偏低，僅可達(dá)到工具級，總體而言與經(jīng)典軟件的發(fā)展成熟度相差甚遠(yuǎn)。

　　量子算法是體現(xiàn)量子計算優(yōu)勢的有效途徑，各類算法研究處于起步階段，目前量子算法存在多種探索方向，其中量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法、量子啟發(fā)算法是業(yè)界近期研究熱點(diǎn)。量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法主要利用量子計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力與存儲能力構(gòu)建新型量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型。2022年，Zapata聯(lián)合IonQ利用量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法并實驗生成手寫數(shù)字的高分辨率圖像。

　　量子計算云平臺是展示量子計算實用化優(yōu)勢和提供算力服務(wù)的主要途徑，是量子計算應(yīng)用探索和生態(tài)構(gòu)建的熱點(diǎn)，近年來國內(nèi)外科技企業(yè)、初創(chuàng)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)紛紛推出量子計算云平臺。量子計算云平臺發(fā)展處于初期，目前多用于NISQ階段應(yīng)用探索的原理性驗證，未來業(yè)界會針對云平臺可訪問比特數(shù)、可配置性、應(yīng)用案例集等方面進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。

　　多領(lǐng)域應(yīng)用場景探索持續(xù)廣泛開展

　　量子計算經(jīng)歷40余年發(fā)展，不僅持續(xù)開展理論與科學(xué)研究，也在進(jìn)行解決實用化問題的應(yīng)用研究。目前量子計算應(yīng)用探索主要集中在量子模擬、組合優(yōu)化和線性代數(shù)求解等領(lǐng)域。

　　量子模擬應(yīng)用探索主要集中在物理、化學(xué)、材料、醫(yī)藥等領(lǐng)域，使用量子處理器模擬量子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，具備真實接近系統(tǒng)自然狀態(tài)原貌的優(yōu)勢。2020年，Google在量子處理器中實現(xiàn)Hartree-Fock狀態(tài)化學(xué)模擬。2021年，Google與QSimulate聯(lián)合推出費(fèi)米量子仿真器，并在模擬費(fèi)米量子電路時獲得顯著性能增益。2022年，Google表示實現(xiàn)16比特費(fèi)米量子蒙特卡羅模擬。中科大搭建超冷鋰—鏑原子量子模擬平臺并實現(xiàn)均勻費(fèi)米氣體的制備。清華大學(xué)通過對16個離子和16個簡諧振動模式的操控，實驗實現(xiàn)拉比-哈伯德模型并驗證該模型的量子相變以及量子動力學(xué)過程。

　　量子組合優(yōu)化應(yīng)用探索主要集中在量化金融、交通規(guī)劃、氣象預(yù)測等領(lǐng)域，對諸多復(fù)雜數(shù)學(xué)問題進(jìn)行高效計算。2021年，Multiverse Computing推出奇點(diǎn)投資組合混合求解器用于量化投資優(yōu)化分析。2022年，Xanadu聯(lián)合Multiverse Computing 開發(fā)量子金融領(lǐng)域解決方案。QCI表示在6分鐘內(nèi)通過使用“熵量子計算”模型為寶馬公司提供復(fù)雜組合優(yōu)化問題的解決方案。本源發(fā)布量子金融定價庫可用于分析期權(quán)等金融衍生品定價。

　　量子線性代數(shù)求解應(yīng)用探索主要集中在密碼破解、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域，通過構(gòu)建新型數(shù)據(jù)處理模型，有望提升目前機(jī)器學(xué)習(xí)算法處理大數(shù)據(jù)的計算效率。2021年，Quantinuum展示量子自然語言處理任務(wù)能力，主要用于機(jī)器翻譯、文字識別等方面。中科大聯(lián)合麻省理工學(xué)院開發(fā)共振分析算法并展示其在數(shù)據(jù)降維方面的加速能力，未來有望成為量子人工智能算法的一部分。2022年，Google使用40位超導(dǎo)量子處理器驗證量子主成分分析過程中的原理性優(yōu)勢。哈佛大學(xué)表示完成利用里德堡原子陣列構(gòu)建量子遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知任務(wù)學(xué)習(xí)實驗。

　　技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用落地仍需各方努力

　　量子計算是量子信息領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)，也是未來科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革的重要變量，已成為全球各國學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和利益攸關(guān)方的普遍共識。近年來量子計算領(lǐng)域發(fā)展迅速，在技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用探索等領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展，但總體仍處于基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究并行攻關(guān)的早期，存在諸多挑戰(zhàn)亟須解決。

　　在技術(shù)研發(fā)方面，首先，目前幾種量子硬件技術(shù)路線和性能提升的趨勢仍具有一定的不確定性，后續(xù)業(yè)界將持續(xù)在擴(kuò)展樣機(jī)量子比特規(guī)模、提高量子態(tài)質(zhì)量、加快量子比特操作速度等方向發(fā)力；其次，量子軟件開發(fā)存在一定難度，設(shè)計方法與經(jīng)典軟件設(shè)計思路存在較大差異，軟件種類繁多且均未達(dá)到經(jīng)典軟件的成熟度，未來不僅需要注重軟件開發(fā)的技術(shù)迭代，還需重視生態(tài)培育與用戶培養(yǎng)；最后，量子算法研究本身復(fù)雜性很高，設(shè)計挑戰(zhàn)性較大，與可用于解決各類實際問題的經(jīng)典算法相比還存在較大差距，未來需重點(diǎn)研究更多可用于解決更多實際問題的算法，并進(jìn)行量子算法優(yōu)化的相關(guān)研究。

　　在應(yīng)用探索方面，現(xiàn)階段業(yè)界在人工智能、量化金融、化學(xué)工業(yè)、密碼學(xué)、交通優(yōu)化、航空航天等領(lǐng)域廣泛開展應(yīng)用探索，但目前兼具實用價值和算力優(yōu)勢的“殺手級”應(yīng)用仍不明確，距離應(yīng)用實際落地和產(chǎn)生變革性價值仍有距離，發(fā)表的應(yīng)用案例基本屬于預(yù)研性質(zhì)的原理性、驗證性實驗，這主要受限于硬件發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)階段量子系統(tǒng)不足以支撐真正有實用效果的、難度較高的算法執(zhí)行。未來量子計算領(lǐng)域的應(yīng)用探索，一方面要加強(qiáng)量子計算與多領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用場景的結(jié)合，同時探索更多可能具有應(yīng)用潛力的方向；另一方面要注重科學(xué)研究與試驗測試的對比驗證，從理論和測試等多個角度證明應(yīng)用可行性以及相對經(jīng)典計算的優(yōu)勢。

　　總體而言，目前超導(dǎo)與光量子路線已實驗性地展示了量子計算優(yōu)越性，這類實驗具有重要科學(xué)價值，但實用價值相對有限。量子計算下一發(fā)展階段的研究重點(diǎn)在于探索實際應(yīng)用問題的解決方案，遠(yuǎn)期目標(biāo)在于設(shè)計并實現(xiàn)大規(guī)模可容錯的通用量子計算機(jī)，未來發(fā)展仍需各方共同努力。

責(zé)任編輯：藺弦弦