普通人中，懂量子物理學(xué)的屈指可數(shù)；在電腦界，量子計(jì)算機(jī)也是獨(dú)孤求敗般的存在，大家都知道它很牛，但怎么個牛法，卻很少有人知道。說難聽點(diǎn)，量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在還是樣子貨（原型機(jī)），還沒體現(xiàn)出商業(yè)化價值。

2019 年，法國蒙彼利埃大學(xué)的理論物理學(xué)家米切爾·達(dá)亞科諾夫（Michel Dyakonov），在電子與計(jì)算機(jī)工程的旗艦期刊 IEEE Spectrum 上發(fā)表文章認(rèn)為，“我們?yōu)楹斡肋h(yuǎn)也不可能造出實(shí)用的量子超級計(jì)算機(jī)”。俄克拉荷馬州立大學(xué)量子計(jì)算專家薩布哈什·卡克（ Subhash Kak）也認(rèn)為，由于難以解決硬件隨機(jī)誤差，人類很難造出具有實(shí)用價值的量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)界的老司機(jī) IBM 顯然不信這個邪。在 CES2020 展會上，IBM 宣布已經(jīng)和戴姆勒（Daimler）合作，利用其量子計(jì)算機(jī)資源研發(fā)新型鋰電池，以替代現(xiàn)有的鋰離子電池。

IBMQ

目前，IBM 的量子計(jì)算機(jī) IBM Q 已經(jīng)對三種不同的含鋰分子完成了建模，使研究人員可以更好地了解它們在電池中儲存電能和釋放電能的性能。目前，通過量子計(jì)算機(jī)的輔助，IBM 發(fā)現(xiàn)用于制造新型鋰電池的電極材料中，最有前途的是鋰硫。根據(jù)研究，用鋰硫做電極的電池將比今天的鋰離子電池能量密度更高、充放電壽命更長、制造和使用成本更低，其完美程度，就像硅之于集成電路。

傳統(tǒng)的超級計(jì)算機(jī)只可以對簡單分子進(jìn)行這種模擬，但需要大量的計(jì)算能力和時間，而且隨著被模擬的分子越來越復(fù)雜，發(fā)生錯誤的可能性也會越來越大。

那么，量子計(jì)算機(jī)憑什么比傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)更高效呢？

傳統(tǒng)電腦（包括傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)）最小的信息單位是比特（Bit），1 位比特要么表示0，要么表示1。要表示更多的信息，就必須用到更多的比特位。但對于量子計(jì)算機(jī)來說，由于疊加態(tài)的存在，1 個量子比特可以同時取 0 和 1 兩個值。于是，在傳統(tǒng)電腦的二進(jìn)制運(yùn)算中，量子比特的取值多達(dá) 4 種。也就是說，如果要遍歷 0 和 1 這兩個比特的所有值，在傳統(tǒng)電腦中需要進(jìn)行 4 次運(yùn)算（00、01、10、11），但在量子計(jì)算機(jī)這里僅僅需要 1 次。

Google 的量子計(jì)算機(jī)，其 Sycamore 處理器擁有 54 量子比特。大圓柱體是用于使計(jì)算機(jī)保持極冷狀態(tài)，保證外界能量不會干擾超靈敏量子比特。

正是由于量子疊加態(tài)的特性，使得量子計(jì)算機(jī)對指數(shù)級別的并行計(jì)算有巨大的速度優(yōu)勢，在解決特定問題時優(yōu)勢突出。前面說的 IBM Q 對含鋰分子的化學(xué)性質(zhì)研究就屬于并行運(yùn)算的商業(yè)化應(yīng)用。不過，要等到鋰硫電池走入千家萬戶，還需要一段時間，至少 2020 年不可能了。在量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用上，IBM 一直走在前列。

圖為 Google 量子計(jì)算控制線，這種材料非常昂貴，每段的成本約為1,000 美元。

2016 年，IBM 啟動“量子體驗(yàn)”項(xiàng)目，僅到 2018 年末，就有大約 10 萬人體驗(yàn)了量子計(jì)算的魅力。美國能源部下屬的多家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為 IBM 量子計(jì)算的客戶。這次和戴姆勒合作研究新型鋰電池，不過是 IBM 量子計(jì)算機(jī)商業(yè)應(yīng)用的眾多客戶之一。

Sycamore 量子計(jì)算芯片。左側(cè)是與外界通信的控制器接口；右邊是計(jì)算芯片。

美國目前在量子計(jì)算機(jī)研究和商業(yè)應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，中國則處于追趕狀態(tài)。目前，我國最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)有 20 個量子比特，而 IBM Q 擁有 53 個量子比特，谷歌 Sycamore 量子計(jì)算機(jī)有 54 個量子比特。在信息時代，量子計(jì)算技術(shù)一旦突破，掌握這種能力的國家，會在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域迅速建立全方位優(yōu)勢。

據(jù)《第一財經(jīng)》報道，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院副研究員張文卓介紹，量子計(jì)算機(jī)的研制目標(biāo)分為三個階段：

第一個階段是“量子霸權(quán)”階段，目前美國在“量子霸權(quán)”的爭奪中暫時領(lǐng)先，我國預(yù)計(jì)在 2020 年左右實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的科學(xué)目標(biāo)，縮小與美國的差距；

第二個階段是實(shí)用化量子模擬機(jī)階段，實(shí)現(xiàn)數(shù)百個量子比特相干操縱的專用型量子計(jì)算系統(tǒng)，應(yīng)用于具有實(shí)用價值的組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面，指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)、藥物開發(fā)等；

第三個階段是通用可編程的量子計(jì)算機(jī)階段，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實(shí)現(xiàn)可容錯的量子計(jì)算機(jī)，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。

Google 量子計(jì)算編程。圖中屏幕顯示了發(fā)送到 Google 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)處理指令。

目前，我國在量子計(jì)算研究上加大投入，其中量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室耗資 100 億美元，計(jì)劃于 2020 年開放。