大數(shù)據(jù)文摘出品
3月28日，CCF YOCSEF舉辦線上論壇，探討“量子計算機離我們還有多遠？”論壇特邀量子計算領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，同時對量子計算機未來的發(fā)展及研究進展等展開研討和思辨，嘗試撥開籠罩在量子計算機上的“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)于中國科學院物理研究所，目前是騰訊量子實驗室硬件方面的負責人。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前景的預期，他個人認為量子計算機將會在10-20年內實現(xiàn)有價值的商業(yè)落地。同時，鄭亞銳博士提到當前量子計算面臨的技術挑戰(zhàn)，如退相干問題等。關于量子計算領域如何健康發(fā)展，鄭亞銳博士給出了一些發(fā)展建議，他認為量子計算與經(jīng)典計算并非競爭關系，量子領域發(fā)展應該加深和傳統(tǒng)技術領域的合作。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，但這個時間應該也不會太久，可能在20年以內。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。我個人認為這個說法稍微有一點激進，因為從目前技術發(fā)展的速度來說，要在十年內實現(xiàn)100萬個量子比特，所面臨的技術挑戰(zhàn)還比較多，但是我們對谷歌的實力還是非常認可，所以不排除在十年之內實現(xiàn)的可能。
IBM也宣稱他們的“Quantum volume”的指標，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）性能每年要增加十倍，這就比谷歌、IBM更加激進，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挑戰(zhàn)，以及未來量子計算整個領域如何能夠健康有意義地發(fā)展。經(jīng)典計算機里面，用高低電壓來代表0或者1來進行計算，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)典計算機無法模擬，那么是否可以直接利用量子力學來計算量子力學的一些問題？這個概念從那個時候慢慢發(fā)展成一個比較系統(tǒng)的學科。那我們怎么樣來做一個量子計算機呢？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量子比特，還有概念非常前沿的拓撲量子計算，以及N-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量子比特和離子阱。
超導量子比特最重要的一個優(yōu)勢，在于它是類似電路的結構，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和谷歌的結果，左邊這張圖可以看到超導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，其實上面的復雜度比以前增加多了，某種程度上來說，應該把它看作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，我們可以看到超導量子比特門操作的保真度也是比較高的，達到了99.4%，這是2014年的結果。其實最新的Sycamore結果應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，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)。那超導目前來說已經(jīng)大體能夠滿足這三個要求，就是達到了一個門檻，所以說，谷歌為什么在2019年發(fā)表達到量子霸權的成果？也是因為技術確實發(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)典計算機里面糾錯的概念，來確保最后總的等效的量子操作，可以達到比較高的保真度，這就是所謂的量子糾錯。那在這個基礎上，我們就可以靠大量的量子比特來達成一個非常高保真度的量子操作，在這個基礎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，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。
超導量子計算剛才我們也說到了，現(xiàn)在剛剛好達到了這個量子糾錯的門檻，而且比特數(shù)量也剛剛好達到53，不多不少，剛好達到一個門檻。它下一步要突破的就是量子糾錯的問題。從我們最終的目標來說，真的要實現(xiàn)量子計算應用的落地，我們需要達到什么樣的水準呢？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)模就足夠我們去驗證很多，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。單比特門需要達到99.99%的精度，雙比特門需要達到99.9%的精度，讀取也需要達到非常高的保真度。
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，這是當前學術界主要研究的問題。
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年谷歌團隊就已經(jīng)提出來了，其實也是借鑒傳統(tǒng)的半導體工藝里一個叫Flip-Chip的工藝，就是倒裝焊，相當于把兩個芯片這樣對接扣到一起，來去實現(xiàn)它的布線。
當然這個概念可以再進一步發(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?，F(xiàn)在美國麻省理工的Lincoln Lab已經(jīng)可以實現(xiàn)這個技術了。在這種技術突破的基礎上，布線可能就不會成為阻礙下一步比特數(shù)擴張的問題。
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，基本上可以認為超導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)），超導量子芯片的襯底和表面可能有一些缺陷雜質，會形成亞穩(wěn)態(tài)或者半能級系統(tǒng)，干擾超導量子比特的運行。我們要想提升超導量子比特的退相干時間，就需要把這些缺陷雜質去掉，要把超導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行改進。從超導量子計算的發(fā)展史上來看，大家對材料做了非常多的創(chuàng)新和改進，才有我們每兩到三年增加一倍的退相干時間的結果。在早期超導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、半導體經(jīng)常會用到的材料，退相干性能比較差，小于一微秒。當時大家對超導量子計算并沒有寄予厚望，認為它也就是拿來做做基本的研究，去研究一些量子力學的基本問題，要真拿它來做量子計算還是有點懸。但到2007年的時候，它換了一種電容機構，2013、2014年，谷歌又做了很多工藝的革新，包括設計上的更新，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一步提升到幾百微秒的量級。超導量子計算的發(fā)展時間雖然短，但是在這21年里，它一直保持著非常快的進步速度。
所以，我們認為在未來退相干時間還有進一步提升的可能，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，可以讓襯底的缺陷更少。用所謂的同位素富集，可以使超導體量子芯片的襯底，比如硅，可能用硅28這種同位素來做襯底會更好，可能會達到更長的退相干時間。
當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，所以對于超導量子比特退相干時間的提升，大家還是比較樂觀的，認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到5個9的保真度，雙比特有可能達到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，像谷歌宣稱需要十年才能實現(xiàn)這個目標，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，用量子計算機去挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的超級計算機。其實目前來說，傳統(tǒng)的超級計算機功能非常強大，要遠遠強于我們目前所擁有的量子計算機的能力，如果從這個角度來看，似乎量子計算機在十年之內毫無希望。但是我們更應該換一個角度去考慮這個問題，就是說量子計算機不一定要去挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機的優(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域如何進一步發(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比較關鍵的步驟，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)模的應用，這時候我們需要有一些原型機來啟發(fā)和加速我們的研究。
在量子領域，可持續(xù)發(fā)展的問題也需要我們重視，因為有些觀點認為量子計算機肯定造不出來，這對這個領域有破壞性的作用，可能會導致大家都不去研究這個領域。還有另一個極端，就是過分樂觀，認為我們兩三年就可以把量子計算機的應用落地，甚至向公司投資者或者政府投資者過分地承諾，實際技術發(fā)展沒有那么快的話，可能會導致投資者的失望，也會導致這個領域的發(fā)展受挫。
關于量子計算和經(jīng)典計算的關系，量子領域很多技術還是來源于傳統(tǒng)的技術領域。量子計算跟經(jīng)典計算不應該是對抗的關系，而應該是合作發(fā)展，利用已有的技術成果來加速自身的發(fā)展。在量子計算技術發(fā)展過程中，我個人認為企業(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用價值。
企業(yè)和科研院所也應當有更加開放的心態(tài)，因為我們都知道量子計算可能在短期內沒法做到有價值的商業(yè)化落地，在這個階段，如果過分強調技術保護可能并不是太有利于技術的發(fā)展，不管是企業(yè)還是科研院所。怎樣去破除技術交流的壁壘，加速領域的發(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中，降低整體的社會研究成本。另一方面，我們也會提供實習的機會，給在校學生提供機會參與到量子技術的研究和應用的開發(fā)中，去增加社會整體的量子技術人才儲備。另外我們也有在積極推進校企合作，加速研究成果的落地，以上就是我的報告內容，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性的發(fā)言，“通過今天的論壇，我們了解到量子計算機到現(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，以及效果上遠超傳統(tǒng)計算方式，從而進入生產(chǎn)實際。但是量子計算機距成為通用計算機還有較長的距離，十年、二十年，也許更遠。我們也看到了從學術到產(chǎn)業(yè)界的全面努力，顯然這是一條需要計算機行業(yè)從業(yè)人員長期努力的道路。”
