大數(shù)據(jù)文摘出品
3月28日，CCF YOCSEF舉辦線上論壇，探討“量子計算機(jī)離我們還有多遠(yuǎn)？”論壇特邀量子計算領(lǐng)域三位重量級嘉賓張輝、鄭亞銳、Kihwan Kim（金奇奐）分別做了精彩報告。聚焦量子計算機(jī)，同時對量子計算機(jī)未來的發(fā)展及研究進(jìn)展等展開研討和思辨，嘗試撥開籠罩在量子計算機(jī)上的“迷霧”。
文摘菌在這里節(jié)選了鄭亞銳博士的分享，鄭博士畢業(yè)于中國科學(xué)院物理研究所，目前是騰訊量子實驗室硬件方面的負(fù)責(zé)人。鄭博士演講的題目是《實現(xiàn)量子計算，我們還需要做什么？》
在演講中，鄭博士給出了他對商用量子計算機(jī)前景的預(yù)期，他個人認(rèn)為量子計算機(jī)將會在10-20年內(nèi)實現(xiàn)有價值的商業(yè)落地。同時，鄭亞銳博士提到當(dāng)前量子計算面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，如退相干問題等。關(guān)于量子計算領(lǐng)域如何健康發(fā)展，鄭亞銳博士給出了一些發(fā)展建議，他認(rèn)為量子計算與經(jīng)典計算并非競爭關(guān)系，量子領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)該加深和傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的合作。最后，鄭亞銳博士為大家介紹了騰訊量子計劃。下面就跟隨文摘菌一起重溫一下鄭亞銳博士的精彩分享吧~
從我自己的觀點來看，量子計算可能至少需要十年以上才有可能真正實現(xiàn)有價值的商業(yè)落地，但這個時間應(yīng)該也不會太久，可能在20年以內(nèi)。我們可參考一下其他公司的看法，比如谷歌，他們宣稱要在十年之內(nèi)實現(xiàn)100萬個量子比特，在2018年的時候他們就已對外提出這個說法。我個人認(rèn)為這個說法稍微有一點激進(jìn)，因為從目前技術(shù)發(fā)展的速度來說，要在十年內(nèi)實現(xiàn)100萬個量子比特，所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)還比較多，但是我們對谷歌的實力還是非常認(rèn)可，所以不排除在十年之內(nèi)實現(xiàn)的可能。
IBM也宣稱他們的“Quantum volume”的指標(biāo)，每年可以翻一倍。前不久我們也聽到一個新聞，霍尼韋爾宣稱（其量子計算機(jī)）性能每年要增加十倍，這就比谷歌、IBM更加激進(jìn)，如果我們以十年的維度來計算，那他十年增加的就是10的10次方，100億倍，我覺得這個是有點過分宣傳了。
今天我們正式來探討量子計算到底還面臨哪些技術(shù)挑戰(zhàn)，以及未來量子計算整個領(lǐng)域如何能夠健康有意義地發(fā)展。經(jīng)典計算機(jī)里面，用高低電壓來代表0或者1來進(jìn)行計算，那在量子比特里面，我們是用量子態(tài)來代表這個信息，比如說我們可以用0這個量子態(tài)或者1這個量子態(tài)來代表0或1，量子比特本身遵從量子力學(xué)的疊加原理，還有它的糾纏原理，所以一個量子比特可以處于0和1的疊加態(tài)上，N個量子比特實際上可以處于2的N次方這樣的量子態(tài)的疊加態(tài)上。大家可以看到，我們量子態(tài)的數(shù)量跟量子比特的數(shù)量呈指數(shù)關(guān)系，所以它們的增長速度非?？?。
在1980年的時候，費曼教授就提出一個想法，因為量子比特的數(shù)量復(fù)雜度增長特別快，因為大家都知道指數(shù)型的增長經(jīng)典計算機(jī)無法模擬，那么是否可以直接利用量子力學(xué)來計算量子力學(xué)的一些問題？這個概念從那個時候慢慢發(fā)展成一個比較系統(tǒng)的學(xué)科。那我們怎么樣來做一個量子計算機(jī)呢？簡單來講，就是有這樣三個要求，首先要有一個量子比特，接下來我們要有一個高保真度的量子操作，所謂的量子操作可以類比成我們經(jīng)典計算機(jī)里面的非門、與非門、或門這些基本的門操作。因為我們要執(zhí)行一個有價值的算法，就需要足夠多的量子比特來進(jìn)行運算。
這三個問題講起來比較簡單，但做起來卻沒那么簡單，首先我們需要一個量子比特，我們可以去自然中去看，什么樣的東西可以作為我們的量子比特？現(xiàn)在人類已經(jīng)挖掘出來非常多的體系，能夠作為量子計算的載體，包括用超冷原子、用離子阱、用光子，還有我們今天主要講的超導(dǎo)量子比特，還有概念非常前沿的拓?fù)淞孔佑嬎悖约癗-V色心類似的這種點缺陷，它們都可以用來做量子計算。這些體系有各自的優(yōu)缺點，目前還無法下定論說哪一種體系一定能夠最終實現(xiàn)量子計算，但目前來說發(fā)展比較快的還是超導(dǎo)量子比特和離子阱。
超導(dǎo)量子比特最重要的一個優(yōu)勢，在于它是類似電路的結(jié)構(gòu)，可以采用我們傳統(tǒng)集成電路的工藝，來幫助它快速地實現(xiàn)大規(guī)模量子比特系統(tǒng)的印刷和制造。它在這幾年的發(fā)展特別快，我們這里借用了一下IBM和谷歌的結(jié)果，左邊這張圖可以看到超導(dǎo)量子比特退相干時間大概兩到三年就會翻一倍，現(xiàn)在整個量子比特的性能已經(jīng)比十年前、十五年前要好很多了。
比如在2005年時，量子比特退相干時間大概就是一個微秒的級別，現(xiàn)在已經(jīng)有幾百微秒。比特數(shù)量增加也非?？?。谷歌2019年發(fā)表的是53個量子比特的芯片，叫Sycamore。但其實它在2017年的時候，已經(jīng)出了72個比特的量子芯片，這一代的芯片比上一代要做了升級，數(shù)量看起來沒有增加，其實上面的復(fù)雜度比以前增加多了，某種程度上來說，應(yīng)該把它看作100多個比特的芯片，而不是簡單的53個量子比特的芯片。
除了退相干和量子比特數(shù)量之外，我們可以看到超導(dǎo)量子比特門操作的保真度也是比較高的，達(dá)到了99.4%，這是2014年的結(jié)果。其實最新的Sycamore結(jié)果應(yīng)該會比這個更好一點，可能有99.6%，超過了我們所謂的糾錯閾值。我們剛才說，造一個量子計算機(jī)，首先要有量子比特，要有高保真度的量子操作，還要有足夠多的量子系統(tǒng)。那超導(dǎo)目前來說已經(jīng)大體能夠滿足這三個要求，就是達(dá)到了一個門檻，所以說，谷歌為什么在2019年發(fā)表達(dá)到量子霸權(quán)的成果？也是因為技術(shù)確實發(fā)展到了這個地步。
我們這里借用IBM的一個圖來簡單介紹一下量子計算后面發(fā)展的可能路徑。最底下就是一個物理量子處理器，解決量子比特的問題，接下來要研究如何去控制，還有如何去讀取這個量子比特，然后在讀取和控制達(dá)到比較高的保真度之后，我們需要去對量子系統(tǒng)做量子糾錯的操作，目的是為了進(jìn)一步提升量子系統(tǒng)操控的精度，因為99%的操控精度還是不能用來實現(xiàn)真正有價值的量子算法的實際應(yīng)用，真正有價值的量子算法，可能要求10個9，甚至12個9，非常難以從物理上去實現(xiàn)這樣的保真度。
科學(xué)家們非常聰明，他們想到一個方式，直接做出這么高保真度的門不容易，但可以用很多很多個量子比特，借鑒經(jīng)典計算機(jī)里面糾錯的概念，來確保最后總的等效的量子操作，可以達(dá)到比較高的保真度，這就是所謂的量子糾錯。那在這個基礎(chǔ)上，我們就可以靠大量的量子比特來達(dá)成一個非常高保真度的量子操作，在這個基礎(chǔ)上再去用更多的量子比特實現(xiàn)有價值的量子算法的落地，就是下面我們要說的邏輯層面的量子處理器。在邏輯層面需要去突破的技術(shù)，跟物理層面的量子處理器一樣，也是需要去控制和讀取，最后實現(xiàn)有價值的量子算法。
超導(dǎo)量子計算剛才我們也說到了，現(xiàn)在剛剛好達(dá)到了這個量子糾錯的門檻，而且比特數(shù)量也剛剛好達(dá)到53，不多不少，剛好達(dá)到一個門檻。它下一步要突破的就是量子糾錯的問題。從我們最終的目標(biāo)來說，真的要實現(xiàn)量子計算應(yīng)用的落地，我們需要達(dá)到什么樣的水準(zhǔn)呢？從理論上來說，我們大概需要100萬個量子比特，量子糾錯之后，它會形成大約有1000多個量子邏輯比特的規(guī)模，這樣的規(guī)模就足夠我們?nèi)ヲ炞C很多，比如像一些材料的物理性能的模擬，包括可能有一些小規(guī)模的Shor算法，可能也可以運行了。單比特門需要達(dá)到99.99%的精度，雙比特門需要達(dá)到99.9%的精度，讀取也需要達(dá)到非常高的保真度。
剛才我們提到雙比特門已經(jīng)可以到99.4%的精度了，保真度已經(jīng)非常接近我們的目標(biāo)了，下一步很重要的問題，還是在于怎樣在提高比特數(shù)量的同時，保持量子比特的門保真度，這是當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要研究的問題。
為什么說量子比特的數(shù)量提升會遇到瓶頸？問題就在這里，怎樣能夠控制實現(xiàn)中間比特的控制和讀取。那最基本的思路，就是我們在這個布線上增加一個維度來實現(xiàn)這個布線，這個想法2014年谷歌團(tuán)隊就已經(jīng)提出來了，其實也是借鑒傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝?yán)镆粋€叫Flip-Chip的工藝，就是倒裝焊，相當(dāng)于把兩個芯片這樣對接扣到一起，來去實現(xiàn)它的布線。
當(dāng)然這個概念可以再進(jìn)一步發(fā)展，我們可以把不止兩個芯片貼到一起，我們可以把很多層的芯片都貼到一起，叫做多層堆疊技術(shù)?，F(xiàn)在美國麻省理工的Lincoln Lab已經(jīng)可以實現(xiàn)這個技術(shù)了。在這種技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，布線可能就不會成為阻礙下一步比特數(shù)擴(kuò)張的問題。
另一個問題就是如何提升比特門的操作精度，因為比特門的操作精度目前是受限于退相干時間的限制，簡單來說，這個問題就轉(zhuǎn)換成如何在提升比特數(shù)量的同時，還能夠提升比特的相干時間。根據(jù)大家的研究，基本上可以認(rèn)為超導(dǎo)量子比特的退相干來源主要受所謂TLS的影響，TLS就是Two Level System（兩級系統(tǒng)），超導(dǎo)量子芯片的襯底和表面可能有一些缺陷雜質(zhì)，會形成亞穩(wěn)態(tài)或者半能級系統(tǒng)，干擾超導(dǎo)量子比特的運行。我們要想提升超導(dǎo)量子比特的退相干時間，就需要把這些缺陷雜質(zhì)去掉，要把超導(dǎo)量子芯片這個電路做得更加干凈，它的退相干性能就會變得更好。
所以，從根源上來說，我們就需要從材料和工藝兩個方面進(jìn)行改進(jìn)。從超導(dǎo)量子計算的發(fā)展史上來看，大家對材料做了非常多的創(chuàng)新和改進(jìn)，才有我們每兩到三年增加一倍的退相干時間的結(jié)果。在早期超導(dǎo)量子比特剛剛出來的時候，大家可能還沒有意識到這個問題，因為其實超導(dǎo)量子比特的發(fā)展非常晚，它可能到現(xiàn)在出來剛好是21年，今年是超導(dǎo)量子比特發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的、半導(dǎo)體經(jīng)常會用到的材料，退相干性能比較差，小于一微秒。當(dāng)時大家對超導(dǎo)量子計算并沒有寄予厚望，認(rèn)為它也就是拿來做做基本的研究，去研究一些量子力學(xué)的基本問題，要真拿它來做量子計算還是有點懸。但到2007年的時候，它換了一種電容機(jī)構(gòu)，2013、2014年，谷歌又做了很多工藝的革新，包括設(shè)計上的更新，退相干時間迅速提升到百微秒的量級。特別是在今年，又有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用新的材料，比如鉭這種金屬，它可能把量子比特的退相干時間進(jìn)一步提升到幾百微秒的量級。超導(dǎo)量子計算的發(fā)展時間雖然短，但是在這21年里，它一直保持著非?？斓倪M(jìn)步速度。
所以，我們認(rèn)為在未來退相干時間還有進(jìn)一步提升的可能，實際上目前新工藝、新材料的嘗試還沒有達(dá)到瓶頸。比如我們可以用超高真空的封裝，使電路的表面更加干凈，比如使用原位襯底熔煉技術(shù)，可以讓襯底的缺陷更少。用所謂的同位素富集，可以使超導(dǎo)體量子芯片的襯底，比如硅，可能用硅28這種同位素來做襯底會更好，可能會達(dá)到更長的退相干時間。
當(dāng)然除了我提到的這種可能性之外，其實還有非常多的工藝和材料等待著大家去挖掘和嘗試，所以對于超導(dǎo)量子比特退相干時間的提升，大家還是比較樂觀的，認(rèn)為將來提升到一個毫秒的級別沒有問題，一個毫秒是什么樣的概念呢？我們剛剛提到單個量子比特需要4個9的保真度，兩個量子比特需要3個9，一個毫秒的話，我們一個量子比特可以達(dá)到5個9的保真度，雙比特有可能達(dá)到4個9的保真度，所以還是非常有希望。
剛才也說了，如果按目前已知的量子算法來看，可能真正產(chǎn)生實際應(yīng)用價值還需要100萬個比特的規(guī)模。100萬個比特還是有點遙遠(yuǎn)，像谷歌宣稱需要十年才能實現(xiàn)這個目標(biāo)，但一個行業(yè)如果完全寄希望在十年后的突破上，對這個行業(yè)發(fā)展并不是特別有利。大家最近在考慮一個問題，因為量子比特規(guī)模已經(jīng)朝100以上走了，那在100到1000個量子比特規(guī)模的量子芯片，是不是可以實現(xiàn)有價值的應(yīng)用呢？這是大家最近在探討的一個問題。
我們經(jīng)常聽到一些說法，會拿量子計算去和經(jīng)典計算做比較，比如谷歌有時候也會炒概念，用量子計算機(jī)去挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的超級計算機(jī)。其實目前來說，傳統(tǒng)的超級計算機(jī)功能非常強(qiáng)大，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于我們目前所擁有的量子計算機(jī)的能力，如果從這個角度來看，似乎量子計算機(jī)在十年之內(nèi)毫無希望。但是我們更應(yīng)該換一個角度去考慮這個問題，就是說量子計算機(jī)不一定要去挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機(jī)的優(yōu)勢，而是說我們可以考慮量子加上經(jīng)典的協(xié)同作用，是否能夠突破以前單純靠經(jīng)典做起來比較困難的事情，這是我們要真正去思考的一個方向。
接下來是針對具體的量子計算領(lǐng)域如何進(jìn)一步發(fā)展的建議。我們最核心的問題，就是要去提升量子比特測控的精度，我們剛剛提到量子糾錯是使用量子計算機(jī)比較關(guān)鍵的步驟，那在我們真的實現(xiàn)100萬個量子比特之前，可能要去做NISQ的研究，也就是100到1000個量子比特規(guī)模的應(yīng)用，這時候我們需要有一些原型機(jī)來啟發(fā)和加速我們的研究。
在量子領(lǐng)域，可持續(xù)發(fā)展的問題也需要我們重視，因為有些觀點認(rèn)為量子計算機(jī)肯定造不出來，這對這個領(lǐng)域有破壞性的作用，可能會導(dǎo)致大家都不去研究這個領(lǐng)域。還有另一個極端，就是過分樂觀，認(rèn)為我們兩三年就可以把量子計算機(jī)的應(yīng)用落地，甚至向公司投資者或者政府投資者過分地承諾，實際技術(shù)發(fā)展沒有那么快的話，可能會導(dǎo)致投資者的失望，也會導(dǎo)致這個領(lǐng)域的發(fā)展受挫。
關(guān)于量子計算和經(jīng)典計算的關(guān)系，量子領(lǐng)域很多技術(shù)還是來源于傳統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。量子計算跟經(jīng)典計算不應(yīng)該是對抗的關(guān)系，而應(yīng)該是合作發(fā)展，利用已有的技術(shù)成果來加速自身的發(fā)展。在量子計算技術(shù)發(fā)展過程中，我個人認(rèn)為企業(yè)有非常重要的地位，因為企業(yè)往往會跟實際的應(yīng)用更加靠近，嘗試去跟需求端碰撞這些想法和思路的時候，可能會帶來一些不一樣的想法，去幫助量子計算找到它真正的應(yīng)用價值。
企業(yè)和科研院所也應(yīng)當(dāng)有更加開放的心態(tài)，因為我們都知道量子計算可能在短期內(nèi)沒法做到有價值的商業(yè)化落地，在這個階段，如果過分強(qiáng)調(diào)技術(shù)保護(hù)可能并不是太有利于技術(shù)的發(fā)展，不管是企業(yè)還是科研院所。怎樣去破除技術(shù)交流的壁壘，加速領(lǐng)域的發(fā)展，是需要大家思考的問題。
剛才的討論中也說到，量子計算的研究成本非常高，這樣就并不是所有的單位都有能力去做這個研究工作，我們騰訊從自身角度來考慮，可能會把我們軟硬件的能力開放出來，讓社會更多單位參與到這個研究當(dāng)中，降低整體的社會研究成本。另一方面，我們也會提供實習(xí)的機(jī)會，給在校學(xué)生提供機(jī)會參與到量子技術(shù)的研究和應(yīng)用的開發(fā)中，去增加社會整體的量子技術(shù)人才儲備。另外我們也有在積極推進(jìn)校企合作，加速研究成果的落地，以上就是我的報告內(nèi)容，謝謝大家！
在本次論壇的最后，YOCSEF的現(xiàn)任主席陳健做了總結(jié)性的發(fā)言，“通過今天的論壇，我們了解到量子計算機(jī)到現(xiàn)在依然算是新生事物，它能解決一些特定問題。也相信未來它能夠在速度，以及效果上遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算方式，從而進(jìn)入生產(chǎn)實際。但是量子計算機(jī)距成為通用計算機(jī)還有較長的距離，十年、二十年，也許更遠(yuǎn)。我們也看到了從學(xué)術(shù)到產(chǎn)業(yè)界的全面努力，顯然這是一條需要計算機(jī)行業(yè)從業(yè)人員長期努力的道路。”
