現階段對量子計算的四大誤讀

身邊越來越多的人對量子計算機的話題感興趣，但是提出來的許多觀點、解讀堪稱「誤量天尊」。最讓人不能接受的是，許多新媒體為吸引眼球，在沒有理解和考證前，就在把量子計算機相關傳播搞得危言聳聽。《對量子計算機的4個誤讀》在寫就前採訪了量子計算領域的專業研究者，希望能起到一點科學傳播量子計算的作用。

本文首發於《中國科學報》3月15日技術經濟周刊，3月26日發表於微信公眾號「本來科技」（OK_tech）, 有刪改、增減。

量子計算領域越來越熱鬧了。

3月8日，百度公司宣布成立量子計算研究所，開展量子計算軟體和信息技術應用業務等研究，悉尼科技大學量子軟體和信息中心創辦主任段潤堯出任所長，直接向百度總裁張亞勤彙報。

這是繼2017年9月密歇根大學終身教授施堯耘正式加入阿里巴巴擔任阿里雲首席量子技術科學家、2017年12月香港中文大學計算機系副教授張勝譽正式出任騰訊量子實驗室負責人（2017年初牛津大學教授葛凌以騰訊歐洲首席代表身份加入騰訊即被視為騰訊布局量子計算的開端）之後，BAT三大互聯網巨頭在又一重大新興科技前沿布局中的「再聚首」。

不過，隨著量子計算機的話題性越來越強，傳播的內容也出現了不同程度的走樣。特別是在一些並不那麼嚴謹的媒體的宣傳或影響下，不少人對量子計算機產生了深深的誤會。

• 言量子必談競爭？更應強調合作

據公開報道，百度計劃在五年內組建世界一流的量子計算研究所，並逐步將量子計算融入到業務中。在業界看來，BAT已開始在量子計算這個新賽道展開新一輪比拼。

不過，阿里巴巴的行動比其他兩家「搶跑」很多。早在 2015 年，阿里巴巴就開始布局量子計算，包括與中科院合作成立亞洲首個量子計算實驗室，開展在量子信息科學領域的前瞻性研究。

不過，阿里巴巴也只是步人後塵。在量子計算尚未露出「尖尖角」之時，早有谷歌、IBM、微軟等國際超巨企業「立上頭」。並且，近日量子計算圈裡更是被「谷歌發布全球首個72量子比特通用量子計算機」的消息刷屏（據報道微軟亦將在年內披露量子技術「里程碑式的重大突破「）。並且，儘管從公開信息上還看不到任何實質內容，「72量子比特」「通用」等字眼還是在傳播中被放在最顯眼的位置。

量子計算是否各巨頭開闢的新戰場？《中國科學報》記者就此分別向段潤堯、張勝譽、施堯耘提問。對此，三人的答覆如下：

段潤堯向記者表示自己新入職百度現階段不太方便公開回應媒體；

施堯耘未正面回應記者，他表示「現在還在起步階段，埋頭做事為要」，不過他曾在一次公開活動中清晰表達過「希望不同領域的科學家與量子計算的人士合作」的觀點；

張勝譽則明確回應記者說：「個人認為這個領域尚處於研發的非常早期的階段，應該多強調合作」。

量子計算現階段的確不應過多強調競爭。中國科技大學教授、中科院量子信息重點實驗室半導體量子晶元項目首席科學家郭國平告訴《中國科學報》記者，量子計算機的研製、開發和應用是一個重大但同時又涉及多領域交叉的大事情，需要多種不同學科不同產業方向的融合與協作，「合作互補非常關鍵」。

• 研製無理論障礙？工程題更難解

量子計算機近年來聲名鵲起，多少讓一些人感到意外。特別是在量子計算的可行性被質疑長達幾十年後，全世界範圍內忽然掀起的這波對於量子計算的追逐狂潮。人們一邊翹首以盼量子計算機能夠研製成功，一邊擔心現有的保密系統會被量子計算機輕而易舉地摧毀。對此施堯耘曾如此評價：

「……大規模的量子計算機還沒有出現。但有意思的是，在它還沒有出現的時候，影響就已經真實發生了。」

不過，現階段量子計算界還停留在關注量子計算機如何實現的問題上。

量子計算機從理論上來說或許不存在根本性的障礙，但是具體實現上有很多技術和工程難題。比如量子相干性的保持與量子比特的操控和集成之間的平衡問題，量子測控系統和量子晶元的互聯和自適應問題以及量子比特的糾錯與容錯，更多量子演算法和量子軟體的開發問題等。

並且，郭國平對記者說，這些看似工程技術性質的問題，倒過來其實可能又需要從基本理論方面進行創新才能解決。

可以總結為，量子計算機的研製和開發既包括基礎原理的研究和論證，也需要大量的工程技術積累。並且隨著時間的推移，工程技術工作所佔的比率和重要性都會迅速增大。

張勝譽也向《中國科學報》記者表示，量子計算機儘管理論上沒有「原則上的障礙」，剩下的也主要是「工程工藝的問題」，但這些問題「絕不容易」。

他也提到，量子計算機不同的實現方案難點雖說各不相同，但也有一些共同問題，比如如何克服雜訊，如何精準控制量子比特等。這與郭國平提到的難題幾乎一致。

正如人們所知，如果可以實現，量子計算機的強大之處在於，每增加一個邏輯比特控制，量子計算機的計算能力將會得到指數級的提升。而問題在於，為了保持體系的穩定性（量子相干性），增加一個與全局量子比特相干的新量子比特的難度也不是線性的，大致也是指數級的。

• 「量子霸權」？應譯作「量子優勢」

儘管難於登天，但從當前可獲得的信息來看，在解決類似工程難題的道路上，國外巨頭或科研團隊的確先行一步。

在回應記者提問「如何評價谷歌日前發布了72量子比特量子計算機？如何看待外界對『谷歌5年內或出現與量子計算相關的商用小型設備』的推斷？」等問題時，郭國平對記者表示，就算5年之內谷歌沒能推出完美的通用量子計算機，現階段我們也應「清醒認識到國外的高速發展以及與他們差距的擴大化」。

施堯耘向記者列舉了一些量子計算領域「世界水平的代表」，他提供的名單里幾乎全部來自美國，其中包括D-wave團隊、谷歌、IBM、微軟、耶魯大學Schoelkopf領銜的實驗室、美國馬里蘭大學Chris Monroe團隊以及荷蘭代爾夫特理工大學等。

這其中，被誤譯作「量子霸權」的「quantum supremacy」就是谷歌公司率先提出的。不過，領先歸領先，谷歌的「quantum supremacy」實在不應誤讀為搶佔什麼「霸權」。

在谷歌的語境里，只要其設計研製的量子計算機能模擬50個量子比特構成的網路，就算打敗「最多只能模擬42個量子比特構成的網路」的超級計算機Edison。谷歌認為，這個實驗會是一次證據確鑿的「quantum supremacy」。簡單來說，一台量子計算機能比經典計算機更好地解決一個特定計算問題，就說明這台量子機具有「quantum supremacy」。在這個語境下，該片語最好翻譯成「量子優勢」。

「中文翻譯『霸權』中的霸道其實有點誤導，可能翻譯成『量子優勢』更加確切一些。」張勝譽告訴記者，無論如何翻譯，這個詞只和計算理論相關，是量子計算和經典計算的比較，和任何具體國家或者企業無關。

面對中國在量子計算機相關的理論研究和技術攻關方面落後別人不止一個身位、BAT等大企業不失時機地紛紛涉足的形勢，郭國平有自己的看法：「工程技術團隊與基礎科學研究團隊共同工作協調攻關，將極大的推動量子計算機的研製速度和效率。」

郭國平表示，中國必須儘快進行合理的戰略部署。「理想模式應該是政府牽頭引導，企業為主攻關，科研院所參加，資方輔助監督，市場檢查評價。」

他說，量子計算機的研製、開發和應用是個意義重大的新型戰略領域和科學技術工程，需要多方協同努力，只靠單方面的努力無論是政府，企業或者資本方都不一定能取得良好的效果。

「要充分發揮我們國家集中力量辦大事的優勢，集合產學研和政府的力量聯合攻關，儘可能多的開發和掌握量子計算機研製和應用涉及的軟硬體核心專利技術，爭取獲得下一代信息技術產業發展更多的話語權。」郭國平說道。

• 將秒殺經典計算機？二者互補

應如何看待通用量子計算機一旦誕生後對經典計算機的「衝擊」，郭國平向記者清晰地解釋了一番。

他說，量子計算機和經典計算機的角色定位，實際上是一種互補關係而不是取代關係。也就是說，量子計算機研發成功不代表經典計算機要退出歷史舞台。

原因有三：

首先，量子計算機的運行需要經典計算機的控制。從理論上講，量子計算機中除了計算的部分在量子晶元中進行，其它的條件判斷、遞歸等高級邏輯是需要經典計算機輔助完成的。缺乏經典計算機控制的量子計算機，就像一把無人揮舞的利刃，難以發揮用武之地。

第二，經典信息與量子信息之間需要互相轉換。我們人類看到、聽到的信息都是經典世界中的信息，這些信息不能被量子計算機處理，而需要轉換成它所能理解的量子信息才能進行並行處理。這使得經典計算機可以用來做量子計算機到用戶的「翻譯器」，使我們能更好利用量子計算機的強大功能。

第三，量子計算機的加速特性只出現在一類特定的問題上。比如Shor演算法分解一個質因數，經典計算機需要處理上百年，用量子計算機只用大約1天。但是如果想做普通的加減乘除，量子計算機是沒有辦法把這些問題變得更快一些的。正所謂殺雞焉用牛刀，量子計算機可被用於解決超大規模的並行計算問題，也是那些經典計算機無法短時間內處理的問題，但是對於簡單的問題，經典計算機的表現已經足夠優秀了。

總的說來，量子計算機的地位有點像如今的GPU。因為GPU擅長做並行運算，所以CPU將特定的任務發送給GPU並控制它的計算流程，最終再將計算完的結果傳送回來，達到了加速的效果。所以，量子計算機最終會找到它的適用場景，例如機器學習、大數據處理等方面，來補充經典計算機所不能解決的問題。（end）