从冷门到逐渐升温，量子计算经历了什么？

文/蔡一乔

1999年，Gerordie Rose还在不列颠哥伦比亚大学（UBC）读博，量子计算这个领域几乎一片空白。

导师Haig Farris又恰好是风投机构Fractal Capital的总裁。

于是，在Farris的支持下，G同学创业了，D-Wave公司诞生！

这是世界上第一家量子计算公司，它会带来什么？

带来一种颠覆主流的技术路线——量子模拟退火算法（Quantum Simulate Anneal,QSA），通过量子隧穿效应来实现加速的目的。

2007年， D-Wave终于宣布自己研制出了16位量子比特的量子退火模拟机。

这把星星之火，点燃了人类关于量子计算的梦想。

微软、Google、IBM、Intel等陆续加入量子计算领域探索者行列。

D-Wave的失与得

D-Wave八年磨一机，却只是星辰大海的起步。

第一台总是充满争议的。

D-Wave的机器并没有使所有的量子比特发生纠缠，并且不能一个量子比特接着一个量子比特的编程，在量子退火技术下，每个量子比特只和临近的量子比特纠缠并交互，不能建立起一组并行计算，而是一个整体上的、单一的量子状态。

所谓“退火”，原本是一种金属热处理工艺，即将材料加热后再经特定速率冷却，可以增大晶粒体积，减少缺陷。加热使原子离开原来所处的局部能量最小的位置，从而有机会移动到能量更低的位置。

经典算法中的“模拟退火算法”，便是仿照这种金属退火的原理，利用随机搜索的方法跳出局部极值，寻找整体极值，达到最优化的目的。

和经典退火算法相比，量子退火算法有非常大的加速，这是因为量子隧穿效应的存在。早在1928年，苏联物理学家伽莫夫便提出了量子隧穿效应。D-Wave正是利用量子隧穿效应使量子比特（微观粒子）从一个极小值直接穿越到另一个极小值。

但是，D-Wave打开了一扇窗。

马里兰大学的Monroe教授表示：“D-Wave让大家意识到，量子计算机是有市场的，并且有强烈的需求。”

Google的霸权之路

实现 “量子霸权”，得熬到2019年，等Google量子计算机横空出世。

2013年，Google买了一台D-Wave量子计算机，售价1500万美元，特别贵！

买家Google发表了自己的使用感受，称在涉及1000个以上二元变量的问题时，量子退火显著优于经典计算机，它比在单核上运行的模拟退火算法快了1亿倍（存在争议）。

目前最新的D-Wave量子计算机已经拥有2000个量子比特，下一代将增加至5000个量子比特。

对比之下，Google和IBM的量子计算机只有50几个量子比特。

这是因为D-Wave的科技实力远超两大巨头吗？

不，这只是专用量子计算机和通用量子计算机的区别。

专用量子计算机只能解决一些特殊的问题，比如D-Wave只能加速计算优化问题，而Google和IBM等巨头致力于通用量子计算机研发，希望能够加速计算各种各样的问题。

D-Wave还有一个不同点，Google和IBM等巨头推进以基于量子芯片技术为基础的量子计算机开发，而它没有。与量子芯片技术相比，D-Wave的“量子相干性”很弱，这对量子计算至关重要。

因此，D-Wave的2000位量子计算机性能不一定超过Google和IBM的量子计算机。与D-Wave的合作只是Google两面下注而已。

2013年，Google联合美国国家航空航天局（NASA）成立量子人工智能实验室（Quantum Artificial Intelligence Lab,QuAIL），与D-Wave合作开展量子退火模拟专用机研究。

第二年，Google又与加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）顶尖团队合作，共同进行通用量子计算机研发。之后2017年Google与创业公司Rigetti Computing合作推出开源量子计算软件平台。

但Google还是被竞争对手IBM捷足先登了，IBM于2016年推出5量子比特的量子计算云服务，是最早布局量子计算云平台的企业，后于2017年推出20位超导量子计算机。而2019年，IBM的量子计算机已经拥有53个量子比特。

当然这并不奇怪，自1984年IBM公司把“量子”应用于保密通信后，一直坚持量子技术的研发，当时还没有Google这家公司。

不过Google只用了短短几年就能与IBM并驾齐驱。

2018年，Google设计了72比特的量子芯片，并着手进行制备和测量。

2019年10月，Google在Nature上发表了一篇论文，宣告了自己的“量子霸权”。

这篇论文是由Google研究人员在9月向NASA提交的。论文详述了Google的53位量子计算机Sycamore是如何只花了200秒的时间就完成了一个当前世界上最快的超级计算机需要1万年时间才能完成的计算（速度快出约18亿倍）。

很快，这个消息就在学术界里引起了轰动，许多专家都为Google的成果惊叹；而且，如果这一消息属实，它将是计算领域的一大里程碑。

谷歌CEO桑达尔·皮查伊（Sundar Pichai）还为此专门撰写一篇文章，称“这是迄今为止使量子计算成为现实的最有意义的里程碑”。

美国首席技术官Michael Kratsios，也在自己的《财富》专栏里发表评论文章，断言Google做出了非凡的新成就。

皮查伊和Google量子计算机

不服Google，百家争鸣

然而最早提出“量子霸权”这个术语的人，John Preskill教授，很不给Google面子。

“他们（Google）的机器能以惊人的速度来解决的问题，是经过精心设计的，目的只是为了证明量子计算机的优越性。并不代表量子计算机会在现实生活中有此等表现。”

另一个巨头IBM，则公开不服！

IBM在Arxiv上发表论文称，Google实验的缺陷在于假定超级计算机会受到系统内存存储数据量的限制，而没有充分利用超级计算机的存储潜力。如果按照IBM的方法来对超级计算机进行编程，仅需2.5天时间就能完成量子计算机耗200秒的任务量，根本不像Google所说的“需要1万年”。

Google与IBM之间的“量子霸权”争夺战愈演愈烈，实际上是美国量子计算领先世界的表现。

在美国，量子计算领域有80%的专利来自企业。

目前，Google和IBM专攻超导体系，Intel主要涉猎硅半导体，微软布局全新的拓扑路线。

2015年，Intel宣布将向荷兰代尔夫特理工大学的量子技术研究项目QuTech投资5000万美元。QUTech研究所在超导、半导体硅量子点和拓扑路线均有布局，并与Intel、微软等紧密合作。

Intel选择了自己擅长的半导体路线，专注于硅量子点技术。硅量子点经常被人称作“人造原子”，一个量子点量子比特是一块极小的材料，像原子一样，它身上电子的量子态可以用0或1来表示。不同于离子或原子，量子点不需要激光来困住它。

但是基于硅的量子比特研究，大大落后于离子阱和超导技术。2019年Intel与Bluefors和Afore合作推出量子低温晶圆探针测试工具，加速硅量子比特测试过程。

至于微软，主要与荷兰QuTech研究所、丹麦玻尔研究所等合作研究拓扑量子计算。理论上拓扑量子计算机不需要在错误修正上花费那么多量子比特。

早在2005年，微软带领的一支研究团队，就提出了一种在半导体-超导体混合结构中建造拓扑保护量子比特的方法。

微软已经投资了数个团队进行尝试，但拓扑量子路线目前看起来还非常遥远。不过，微软的实力不容小觑，过去五年微软在量子计算领域发表的论文数量仅次于IBM和MIT。

微软发挥它在云计算方面的优势，在2019年推出量子计算云服务Azure Quantum，可以与多种类型的硬件配合使用。

离子阱技术同样有领军企业。位于马里兰州的IonQ公司，其创始人是马里兰大学的Chris Monroe教授和杜克大学的Jungsang Kim教授。目前IonQ的离子阱量子计算机已经实现79个量子比特。

全球500强企业霍尼韦尔也布局了离子阱，目前它的离子阱量子比特装置已进入测试阶段。

2019年，亚马逊AWS也宣布参与到量子计算的竞争中来，与D-Wave、IonQ和Rigetti三家量子计算公司合作，通过AWS云提供它们的量子计算系统。亚马逊和微软都没有自己的量子硬件，只能从外部为技术做“媒人”。

量子计算的全球格局

在量子计算领域，美国是绝对超前的。

目前已形成政府、科研机构、产业和投资力量多方协同的良好局面，并建立了在技术研究、样机研制和应用探索等方面的全面领先优势。

Google宣布“量子霸权”的当天，美国联邦政府首席技术官Michael Kratsios，发表评论文章，断言谷歌做出了非凡的新成就，并强调是通过学术界和政府的支持才得以实现的。

他说的没错，早在2002年美国就制定了“量子信息科学和技术发展规划”。2015年提出到2030年量子信息科学研发目标与基础设施建设目标。

2018年，特朗普签署《国家量子倡议法案》，将制定量子信息长期发展战略，未来5年向量子相关研发领域投12亿美元。

美国国防高级研究计划局（DARPA）正在寻求与量子计算公司、量子研究技术领导者建立量子研究联盟，以跨部门合作的方式，提供量子硬件的访问权限。

由于政府的支持，美国很多高校和研究机构都开展了针对量子计算的研究，美国的相关研究论文发表数逐年增长。

在量子计算领域，政府、科研机构、企业三方通力合作。以Google为例，先是在加州大学圣巴巴拉分校和国家科学基金会（NSF）支持下的其他大学开始了自己的努力，进行了先行实验。之后，Google依靠能源部的超级计算机和NASA量子人工智能实验室（QuAIL）的联邦专家的支持，来完成验证量子算法的艰巨任务。

与此同时，Google与NASA艾姆斯研究中心、橡树岭国家实验室和总部设于欧洲的跨学科研究中心德国于利希研究中心在论文中进行了合作。此外，Google还在与美国国家标准与技术研究院（NIST）合作，探索新兴技术的应用。

为了支持量子计算研发，美国政府机构几乎全员出动了：包括能源部国家实验室、国家科学基金会、国家标准与技术研究所院、美国宇航局、国防部和许多其他联邦机构和项目的研究人员进行基本量子研究。政府预算通过促进各机构之间的研究和协调，将量子科学列为优先事项。

2018年签署的《国家量子倡议法案》，为联邦政府量子研发提供了强有力的支持，并成立了第一个协调办公室，以尽可能地在管理范围内协调和加强整个政府的量子政策。该法律还指导NIST与私营部门、学术界和联邦实验室建立和扩大量子联盟，将美国的创新生态系统结合起来。

在美国的创新生态系统中，除了参与“量子霸权”争夺战的科技巨头，初创企业是量子计算技术产业发展的另一主要推动力量。

初创企业大多脱胎于科研机构或科技公司，近年来由于来自政府、产业巨头和投资机构的创业资本大幅增加，初创企业快速发展。

目前，全球有超过百余家初创企业，主要分布于北美。尤其最近五年，越来越多的量子计算科研人员参与创业。除了脱胎于马里兰大学的IonQ，还有从哈佛大学拆分出来的Zapata Computing。

Zapata公司关注的并非打造量子计算机，而是为此类计算机开发软件应用，并且帮助大型企业在适用量子计算的领域找到解决方案，不受客户使用硬件的局限。

此外，美国量子计算领域还有Reggtti、QxBranch、QC Ware、Strangeworks、Turing等初创公司。这些公司掌握部分环节的核心技术，进行细分领域或特色产品研发。

比如，Rigetti为量子计算开发半导体芯片、硬件和软件；QxBranch为企业用户提供企业量子计算工具和仿真系统；QC Ware为企业应用开发量子云计算平台；Strangeworks利用量子计算正在开发SaaS工具，以帮助软件开发人员、IT系统管理人员和研究人员，等等。

从全球角度来看，加拿大、欧盟、日本、英国、澳大利亚等国家和地区在量子计算领域紧跟美国身后，欧盟之中，德国、奥地利、荷兰等国处于领先地位。

加拿大滑铁卢大学、蒙特利尔大学，德国慕尼黑大学、马克斯·普朗克学会，荷兰代尔夫特理工大学，英国牛津大学，日本东京大学，奥地利因斯布鲁克大学，澳大利亚悉尼大学，是除美国外量子计算研究的最高殿堂。当然还有中国科学院、中国科技大学等。

此外，新加坡、印度、韩国、俄罗斯、以色列等国也开始将量子计算技术列入国家技术计划加大投入。

从产业链角度来看，尽管量子计算目前仍处于产业发展的初期阶段，但军工、气象、金融、石油化工、材料科学、生物医学、航空航天、汽车交通、图像识别和咨询等众多行业已注意到其巨大的发展潜力，开始与科技公司合作探索潜在用途，生态链不断壮大。

以全球最大的汽车集团大众为例，2019年底在里斯本举行的一场峰会上，大众首次展示了量子计算在交通拥堵问题上的应用。大众在9辆公交车上安装了与量子路由系统相连接的平板电脑。通过这种系统的引导，每辆公交车都可以找到自己最有效的行驶路径，从而避免交通拥堵。

中国押注量子计算

美国一直忌惮中国在量子计算领域的进步，限制向中国出口量子计算等尖端科技，包括超导量子计算机所需的稀释制冷机。但不得不承认，中国在样机研制及应用推动方面与美国存在较大差距。

在中国，量子计算以科研机构为主，在量子计算基础理论、物理实现体系、软件算法等领域均有研究布局，中科大、清华大学、 浙江大学等研究机构近年来取得一系列具有国际先进水平的研究成果。

从各国高水平SCI论文总量和热点论文来看，美国位列第一，中国、德国分列第二和第三位。在代表性研究成果方面，中科大实现24位超导量子比特处理器，光量子体系18比特纠缠和半导体体系3比特逻辑门；清华大学实现了相干时间最长的离子阱体系量子储存，利用单量子比特实现了精度为98.8%的量子生成对抗网络，未来可应用于图像生成等领域。

阿里巴巴、腾讯、百度和华为等科技公司开始关注和投资量子计算领域。阿里与中科大联合发布量子计算云平台，并在2018年推出量子模拟器“太章”。百度在2018年成立量计算研究所，开展量子计算软件和信息技术应用等业务研究。华为在2018年发布了HiQ量子云平台，并在2019年推出昆仑量子计算模拟一体原型机。腾讯在量子AI、药物研发和科学计算平台等应用领域展开研发。

国内首家量子计算初创企业——本源量子于2017年在合肥成立。

本源量子研发了适用于 20位量子比特的量子测控一体机，用于提供量子处理器芯片运行所需要的关键信号，实现量子芯片操控。同时创立本源量子计算产业联盟，2019年携手中船鹏力共建量子计算低温平台。

但总体而言，我国科技企业进入量子计算领域相对较晚，在样机研制及应用推动方面与美国存在较大差距。

中国与美国的差距主要体现在，产学研用各方力量分散，结合不紧密，缺乏美国政府、科技企业、科研机构、产业界和投资力量多方协同的发展模式。

量子计算机研制属于巨型系统工程，涉及众多产业基础和工程实现环节，中国在高品质材料样品、工艺结构、制冷设备和测控系统等领域仍落后于领先国家，存在关键环节受制于人的风险。

作为仅次于美国的云计算大国，中国在量子计算云平台方面与美国的差距逐步缩小。

目前IBM已推出20位量子比特的量子云服务，提供QiKit量子程序开发套件，建立了较为完善的开源社区。Google开发了Cirq量子开源框架和OpenFermion-Cirq量子计算应用案例，可搭建量子变分算法，模拟分子或者复杂材料的相关特性。Rigetti推出的量子计算云平台以混合量子+经典的方法开发量子计算运行环境，使用19位量子比特超导芯片进行无监督机器学习训练及推理演示，提供支持多种操作系统的Forest SDK量子软件开发环境。

我国量子计算云平台起步较晚，目前发展态势良好。比如，中科大与阿里云共同推出11位超导量子计算云接入服务。华为HiQ量子计算模拟云服务平台，可模拟全振幅的42位量子比特，单振幅的81 位量子比特，并开发兼容 ProjectQ 的量子编程框架。

本源量子推出的量子计算云平台，可提供64位量子比特模拟器和基于半导体及超导的真实量子处理器，提供Qrunes编程指令集，Qpanda SDK开发套件，推出移动端与桌面端的应用程序，兼具科普、教学和编程等功能。

关于中国与美国的这场追逐战，用IonQ公司首席技术官Jungsang Kim教授在2016年的话来说：“我并不认为Google能在下个月宣布成功研制量子计算机。退一步讲，即便他们成功了，游戏也不会结束。”

是的，游戏开始了，也才刚刚开始……