量子計算的魔力在哪，未來如何發展？英特爾中國研究院院長這麼看

英特爾中國研究院院長談量子計算。

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本文作者：英特爾中國研究院院長 宋繼強博士

量子計算是目前計算領域最為熱門的話題之一。作為面向未來的計算模式，它憑借廣闊的應用前景而備受矚目。随着衆多業界巨頭紛紛進入到這一領域，量子計算已經俨然成為未來科技的最大熱門之一。

毫無疑問，對于量子計算研究的前景令人歡欣鼓舞，但我們也應看到，量子計算目前依然處于萌芽階段。要想實作一個真正可以商用的量子計算系統，我們還有很長的一段路要走。那麼，量子計算究竟具備哪些魔力，而聚焦了如此多的關注？作為目前量子計算領域的重要參與者，英特爾又是如何看待其未來發展趨勢的呢？

量子計算：突破傳統計算的“禁區”

在讨論量子計算之前，我們不妨先回顧一下傳統計算。在“現代計算機之父”艾倫·圖靈于1936年發表的論文中，提及了一種自動機器，可以讀寫紙條上的符号，并根據目前狀态進行删除、列印或者空操作，然後機器移動到紙條的下一個方格，根據新的輸入和狀态進行新的操作。

這個機器原理看似簡單，功能上卻令人不可思議。如今，整個計算機的發展，依然在遵循這一基本原理。我們當下所使用的桌上型電腦、筆記本電腦、智能手機、伺服器，乃至時下炙手可熱的人工智能技術，依然在遵循圖靈機的原理。所有的數字計算機都有共同之處，它們都執行簡單的算術運算，這得益于其每秒數十億次的運算速度，使得機器能夠運作非常複雜的應用程式。

然而，盡管傳統計算機擅長很多任務，但卻在面對一些特定領域的計算時面臨巨大挑戰。這些計算領域包括RSA解密算法、量子系統模拟、分子模拟等。盡管在過去幾十年裡，業界圍繞這些領域進行了大量的研究和投資，但進展依然緩慢。那麼，是否有可能采用一種在原理上與傳統計算機截然不同的方式，去重新設計計算機系統呢？

這個時候，量子計算的重要性便開始凸顯。對于并行計算與生俱來的支援，令量子計算機能以更快的速度執行特定任務。

量子計算：并行計算的終極目标

作為一種全新的計算模式，量子計算充分利用部分基礎實體、疊加與糾纏原理。與傳統計算不同，它采用了一種極端并行的方式來解決問題。

與基于半導體并需要将資料編碼成二進制數字（位）的傳統計算機的不同之處在于，量子計算機利用量子位進行計算。這些量子位能夠同時以多種狀态存在，讓并行進行大量計算成為可能，進而加快解析的時間。以硬币來打比方，傳統半導體可以表示正面或反面，但是不能同時表示正反面。而量子計算則可以同時表示正面和反面；這被稱作兩種狀态的疊加。當許多量子位互相結合，或“互相糾纏”時，它們會作為一個實體來運作，即所謂的“超級狀态”，賦予量子計算極為強大的并行計算能力。但與此同時，這種狀态帶來的另一個結果是量子位間的互相關聯，如此一來量子位不會再獨立運作，也客觀上增加了控制難度。

量子計算擁有增強未來高性能計算機功能的巨大潛力，有望解決當今最好的超級計算機也可能需要花數月甚至數年時間才能解決的問題，例如藥物開發、材料科學、天氣預報、密碼分析、石油勘探、金融模組化等領域。展望未來，我們有望利用量子計算機模拟自然，以推進化學、材料科學和分子模組化的研究，甚至它還有助于協助創造一種新的催化劑來隔離二氧化碳、開發室溫超導體或發現新藥。

但需要強調的是，盡管量子計算機有望通過更高的效率和性能來解決一些問題，但是它們并不會完全取代傳統計算或神經形态計算等其它新興技術。在英特爾構想的未來，傳統計算從專為特定負載而設計的各種互補技術中得到增強。未來，科學家可以通過雲通路量子系統，将其作為加速器與伺服器和其它傳統計算系統共同運轉。别忘了，設計、模組化、建構并運作這些系統，依然需要規模龐大的計算能力。未來，我們需要摩爾定律帶來的技術進步，才能發明并開拓這些新興科技。 

“兩條腿”走路，探索量子計算

雖然量子計算系統方才起步，但相較于傳統計算，它的起點無疑要高得多。然而，要想實作一個真正可商用的量子計算系統，還面臨巨大的挑戰。盡管當下有大量有關量子系統和功能的炒作和理論文章，但在我看來，量子計算的真正實作必須更加關注實際應用，以及量子與傳統計算元件的必要內建。目前，量子計算還處于馬拉松的第一程，我們還有很長的路要走。英特爾預計，需要大約5-7年的時間，行業才能開始解決工程規模的問題。除非我們擁有100萬或更多的糾纏量子位，否則量子計算難言擁有真正的商業活力。

目前，業界關于量子計算的研究有兩大方向：

1、“超導量子位”：目标是增加正常工作的量子位數量需求，這是目前業界衆多機構和廠商普遍追求的方案。

以英特爾為例，我們與學術界合作夥伴QuTech去年10月成功測試了17量子位超導計算晶片，并在今年宣布成功設計、制造并向合作夥伴傳遞了首個49量子位超導量子測試晶片——“Tangle Lake”。然而，每增加一個量子位都會使系統的複雜性翻一番。

未來，如何建構能夠保證精準輸出的、可行的、且大規模的量子系統，依然面臨很多挑戰。其中，如何使量子位（量子計算的建構塊）統一和穩定便是一個重要課題。量子位極為脆弱，任何噪聲、甚至無意的觀測都會導緻資料丢失。這種脆弱性要求它們必須在20毫開爾文的溫度下運作——比外太空還要冷250倍。這種極端的操作環境使量子位封裝成為決定性能和功能的關鍵。

2、“自旋量子位”：它與我們現在已知的半導體電子和半導體高度相似。

具體來說，它充分利用晶片裝置上的一個電子自旋并用微小的微波脈沖來控制運動，進而釋放其量子能量。電子可以向不同的方向自旋。當電子向上自旋時，資料表示二進位數值1。當電子向下自旋時，資料表示二進位數值為0。

但是，類似于超導量子位的運作方式，這些電子也存在“疊加”，也就是說，它們有可能同時向上、向下自旋，在這一過程中，理論上它們可以并行處理巨大的資料集，并且比傳統計算機要快得多。如前所述，在量子計算實作商用之前，研究人員必須克服的一大挑戰便是量子位脆弱的本質。而由于在矽片上運作，自旋量子位可以克服因量子位脆弱而導緻的量子計算從研究到實用的障礙。目前，英特爾在300毫米制程技術上發明的自旋量子位制造流程，采用了專門用于生産自旋量子位測試晶片的同位素純晶圓，并能和英特爾先進的半導體技術一樣，在同一個設施中制造。

目前，我們還無法預知量子處理器（或量子位）最終會采用哪種形式。但毋庸置疑的是，優秀的科學、先進的工程以及傳統計算技術的持續發展，将是量子計算實作商業化目标的通關密碼。

原文釋出時間為：2018-03-24

本文作者：宋繼強

本文來源：

虎嗅網

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