我们离实用化还有多远：聊聊当下真实的量子计算研究

我上个月去参加了国内一个量子领域的小型闭门会，一堆做硬件的做算法的吵得脸红脖子粗。出来的时候喝冰啤酒，一个中科大的博后跟我吐槽。说现在媒体吹得太凶，什么"量子霸权改写密码学"，什么"十年内取代超级计算机"，听得头大。

量子计算研究现在卡在了哪？

现在业内常说，我们还处在NISQ（带噪声的中尺度量子）时代。这句话翻译过来就是：我们能做出几百上千个量子比特，但是这些比特都不准，误差大，没办法做复杂计算。 很多外行不知道，做量子计算最头疼的从来不是凑量子比特的数量，是保持相干性。量子比特就是靠叠加态、纠缠干活的，一旦环境稍微扰一下，退相干了，叠加态就没了，所有计算白搭。你要做大规模计算，就得保持所有量子比特同时不坍缩，还得能精准操控。这太难了。 超导量子计算芯片实验室实物图 现在要做真正能用的容错量子计算，一个逻辑量子比特，就得靠上千个物理量子比特来纠错。现在IBM最先进的芯片也就一千多个物理比特，堆出来一个逻辑比特都不够，更别说做复杂计算了。 说实话，材料和工程的瓶颈卡得死死的。超导量子比特得放在接近绝对零度的环境里，一套制冷设备几百万，体积比衣柜还大。成本降不下来，规模化就是扯淡。离子阱路线对环境要求低一点，但是操控速度跟不上，要做大也难。光量子路线适合做特定问题，通用计算还差得远。 所有路线都有坑，没哪个是真的躺赢。

别吹“量子霸权”了，现在NISQ能做什么？

当年谷歌喊出"量子霸权"的时候，整个世界都炸了。很多人以为量子计算机马上就能取代超级计算机了。其实那就是一次演示，证明量子优势确实存在，解决的那个问题本身，根本没有实际用途。就是给学界吃了一颗定心丸而已。 不过话说回来，NISQ设备也不是只能放实验室当摆设。现在很多量子计算研究，都在找"不需要容错也能用"的场景，已经有不少能落地的苗头了。 最有戏的就是药物分子模拟。经典计算机模拟分子的量子态，复杂度是随着原子数量指数增长的，几十个原子的大分子，经典超算就算到天荒地老也算不出来。量子计算天生就是干这个的，哪怕有一点噪声，模拟小分子相互作用也比经典强太多。现在国内已经有团队用量子计算模拟抗癌药物靶点和小分子的结合，拿到了和实验吻合的结果，比经典模拟快了几十倍。 量子计算模拟药物分子相互作用示意图 还有组合优化问题，物流路径规划、云计算资源调度、芯片设计布线，这些都是NISQ能碰的领域。我之前看到国内一家快递企业的测试，用量子退火算法算出来的全国运输路线，比经典算法优化出了快5%的成本，一年下来就是大几千万的利润，这已经是实打实的收益了。 甚至密码领域，量子计算研究也早就产生了实际价值。现在大家用的RSA加密，未来容错量子计算机做出来确实能破解，所以现在NIST已经选定了新一代抗量子密码标准，全世界都在换，这个就是量子计算研究逼出来的成果，早就开始保护我们的信息安全了。

国内量子计算研究的优与劣

国内量子计算研究的优与劣 很多人只听过"九章""祖冲之"，觉得国内量子计算已经世界第一了，也有人说全都是炒概念，啥都做不出来。这两个极端都不对。 说实话，国内硬件研发的水平，真的不差。中科大的祖冲之二号，处理特定问题比当时全世界最快的超级计算机还快一百万亿倍，九章的玻色采样性能也一直保持领先，除了超导和光量子，硅基量子点、离子阱这些路线国内也都有团队跟进，不少指标都不输欧美。 短板明明白白摆在那，就是应用生态。国外IBM、谷歌早几年就开放了量子云平台，全世界的开发者都能免费上去写算法、跑测试，现在已经攒出了不小的开发者社区。国内现在也有开放云平台，但是知道的人少，用的人更少，很多高校做量子算法的研究生，还得蹭IBM的云平台用，生态做不起来，应用就很难推进。 还有就是浮躁。现在量子计算是风口，一堆热钱涌进来，很多公司拿个概念就融几个亿，到处吹自己马上就能商业化，真正沉下心啃硬件瓶颈、磨算法的团队，反而拿不到足够的资源。那个做硅基量子比特的研究员跟我说，他们团队熬了五年，把单个量子比特的相干性提到了毫秒级，这个成果放在全世界都是顶流，找投资的时候，资本开口就问"三年能不能上市？"，一听还要十年才能规模化，转头就走了。 吐槽归吐槽，我还是挺乐观的。五十年前经典计算机也就几千个晶体管，谁能想到今天人人都揣着上亿晶体管的手机？量子计算现在就是那个阶段，慢是慢了点，每一步都踩得扎实。说不定哪天材料技术突破了，退相干的问题一下子就解决了，整个行业就飞起来了。 真正改变世界的研究，从来都不是喊口号喊出来的，是那帮蹲在实验室里，天天跟噪声、退相干较劲的研究者，一点点熬出来的。