北京郵電大學(xué)張勇：量子計(jì)算的場(chǎng)景落地還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間
量子前哨重磅推出獨(dú)家專(zhuān)題《量子科學(xué)家100人》，我們將遍訪(fǎng)全球量子計(jì)算相關(guān)領(lǐng)域100位優(yōu)秀科學(xué)家，多角度、多維度、多層面講述該領(lǐng)域的最前沿科學(xué)故事，為讀者解析科學(xué)洞見(jiàn)：量子科技前沿的最新觀察與行業(yè)評(píng)析。
張勇和量子計(jì)算結(jié)緣是在2001年的早秋。
碩士畢業(yè)后，張勇就報(bào)考了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位，師從我國(guó)量子信息領(lǐng)域研究的學(xué)術(shù)帶頭人郭光燦教授。暑期開(kāi)學(xué)，張勇剛好趕上了2001年在安徽黃山舉辦的“量子信息國(guó)際研討會(huì)”，這是第一次在中國(guó)舉辦的量子信息科學(xué)的國(guó)際研討會(huì)。?
?來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、奧地利、法國(guó)、韓國(guó)以及我國(guó)的專(zhuān)家學(xué)者共一百五十余人參加了研討會(huì)，會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)交流了42篇量子計(jì)算相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文，這場(chǎng)會(huì)議也是全國(guó)量子信息研究的起點(diǎn)。
?自此，清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、山西大學(xué)等院校開(kāi)始組建一些從事量子計(jì)算相關(guān)研究的科研團(tuán)隊(duì)。后來(lái)，郭光燦教授申請(qǐng)了我國(guó)量子信息領(lǐng)域的第一個(gè)“973”項(xiàng)目，他把國(guó)內(nèi)這個(gè)領(lǐng)域的主要隊(duì)伍都團(tuán)結(jié)起來(lái)，共有十幾家參與單位、五十多位骨干研究人員，這也成為日后中國(guó)量子信息領(lǐng)域科研力量的核心班底。?
張勇告訴量子前哨，前幾天再次看到這次會(huì)議的合影，發(fā)現(xiàn)那次參會(huì)人員幾乎集中了后來(lái)國(guó)內(nèi)量子信息領(lǐng)域最重要的核心力量。在參會(huì)專(zhuān)家中已經(jīng)出了郭光燦、潘建偉和杜江峰三位量子信息領(lǐng)域的院士，還有很多名國(guó)家杰青、長(zhǎng)江學(xué)者等高端人才。??
從事科研工作要敢于拼命
經(jīng)過(guò)20年的科研突圍，中國(guó)的量子計(jì)算與量子通信研究在世界上占有重要的地位，與投身科研的眾多優(yōu)秀科學(xué)家們密不可分。張勇認(rèn)為，當(dāng)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展繁盛起來(lái)，科研經(jīng)費(fèi)投入也有了大的增幅，在國(guó)家的大力支持下，投身于量子計(jì)算領(lǐng)域的研究人員越來(lái)越多。除了科研隊(duì)伍壯大外，科研前輩的奉獻(xiàn)精神也很重要。?給張勇留下最深刻印象的是導(dǎo)師郭光燦院士。2001年時(shí)已經(jīng)60歲的郭光燦教授周末還經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室里看文獻(xiàn)、討論問(wèn)題，每周40人左右的組會(huì)，他每次都會(huì)參加，還會(huì)提一些很尖銳的問(wèn)題。每天除了開(kāi)會(huì)就是泡實(shí)驗(yàn)室，張勇說(shuō)道：“成功人士有什么秘訣？他一定很拼很勤奮很努力?！?/strong>?
現(xiàn)在，年屆80的郭光燦院士仍然參與實(shí)驗(yàn)室的研討，通過(guò)他的科學(xué)判斷，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)找到研發(fā)重點(diǎn)，幫助實(shí)驗(yàn)室攻關(guān)克難。另外，郭院士非常樂(lè)于參加量子信息與量子計(jì)算的宣傳和科普，為普及量子信息、量子計(jì)算知識(shí)和推動(dòng)國(guó)內(nèi)量子信息領(lǐng)域的發(fā)展而奔走、呼吁。
?正是因?yàn)榍拜吙茖W(xué)家們孜孜不倦的努力，才會(huì)有享譽(yù)全球的卓越科研成果，也引起國(guó)內(nèi)社會(huì)以及國(guó)家高層領(lǐng)導(dǎo)人對(duì)量子信息產(chǎn)業(yè)的廣泛關(guān)注。張勇強(qiáng)調(diào)，不論是研究隊(duì)伍的規(guī)模，還是科研氛圍和科研水平，目前中國(guó)都可以說(shuō)處于世界前列。量子信息領(lǐng)域發(fā)展的大好局面，我們首先應(yīng)該向老一輩科學(xué)家們致敬。??
科學(xué)正在打破認(rèn)知中不斷前進(jìn)
當(dāng)前，隨著量子計(jì)算機(jī)研發(fā)技術(shù)的不斷突破，已經(jīng)超出我們從經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展獲得的認(rèn)知，比如拓?fù)淞孔佑?jì)算，CIM相干量子計(jì)算等。張勇認(rèn)為，“這也是發(fā)展過(guò)程中的收獲。不要求所有的計(jì)算模式都一樣，可以有各自的優(yōu)勢(shì)并同步發(fā)展，這可能是一種發(fā)展趨勢(shì)，但仍然需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)驗(yàn)證。”?
例如，最近CIM相干量子計(jì)算研發(fā)路線(xiàn)在量子比特?cái)?shù)規(guī)模上領(lǐng)先了超導(dǎo)、離子阱等其它路線(xiàn)，率先突破了十萬(wàn)量子比特。張勇認(rèn)為這一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光量子提供了量子計(jì)算的一個(gè)非常可靠且快速的研究方向。
張勇說(shuō)道：“為什么用光做得比較好？因?yàn)槲覀儗?duì)光的研究時(shí)間比較長(zhǎng)，有比較成熟的技術(shù)，操控起來(lái)比較容易，而且光引起的相互作用小，引出噪聲小，退相干作用弱比較穩(wěn)定，研究方便。但是它也有一個(gè)問(wèn)題是光量子計(jì)算的可集成性差。在光量子實(shí)驗(yàn)中，我們可以直觀的看到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上各種棱鏡、波片等器件，這些器件都需要一定的尺寸，所以可擴(kuò)展性要差一些，難以集成，這與經(jīng)典計(jì)算機(jī)高度集成的模式不太一致?！?
張勇認(rèn)為，十幾年前，大家都在探索不涉及物理系統(tǒng)的量子計(jì)算理論，而現(xiàn)階段，也稱(chēng)作中等規(guī)模的含噪聲量子計(jì)算時(shí)代（NISQ），大家追求的目標(biāo)是越來(lái)越大的量子比特規(guī)模。由于可糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)至少要達(dá)到數(shù)千量子比特，而現(xiàn)有的量子比特只有數(shù)百，所以現(xiàn)在并不追求屏蔽所有的噪聲，能接受其中有一些錯(cuò)誤，也可以實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單任務(wù)。
現(xiàn)階段的任務(wù)就是研發(fā)出這類(lèi)小型計(jì)算機(jī)，能夠借助數(shù)百量子比特處理一些任務(wù)，當(dāng)然在性能上是越穩(wěn)定越好。未來(lái)隨著量子比特?cái)?shù)的增加，錯(cuò)誤率也會(huì)越來(lái)越低。??
根據(jù)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的成功模式，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的集成度一定會(huì)越來(lái)越小，功能也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大。第一代量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)比較大，未來(lái)再慢慢縮小，這是一種研究趨勢(shì)。以目前幾種量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)體系來(lái)說(shuō)，各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。?
以超導(dǎo)量子計(jì)算路線(xiàn)來(lái)看，雖然我們的微操控技術(shù)越來(lái)越強(qiáng)，但是在超低溫環(huán)境條件下的微觀體系，量子效應(yīng)很顯著，表現(xiàn)極其不穩(wěn)定，這就比較難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定操控。而離子阱路線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)是操控性強(qiáng)，通過(guò)激光制冷的方法把一串原子/離子囚禁在一個(gè)腔室內(nèi)，劣勢(shì)是難擴(kuò)展，想要實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)規(guī)模就很難。
張勇說(shuō)道：“超導(dǎo)量子計(jì)算可以集成到芯片上，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于現(xiàn)在電腦一樣的量子計(jì)算機(jī)，而用體積龐大的離子阱設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，人們還很難想象離子阱計(jì)算機(jī)應(yīng)該是什么樣子?！?/strong>?
張勇提到，目前國(guó)際上更重視搶占量子比特?cái)?shù)的優(yōu)勢(shì)，沒(méi)辦法兼顧通用性能。比如，最近IBM發(fā)布的127量子比特芯片等，只是在宣稱(chēng)單一方面的先進(jìn)性，比如玻色采樣/隨機(jī)量子線(xiàn)路抽樣等單一任務(wù),類(lèi)似于加拿大D-Wave公司，也是只能運(yùn)行量子退火算法來(lái)完成單一任務(wù)。
所以，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的所謂“量子霸權(quán)”，只是意味著在某一方面取得了優(yōu)勢(shì)，不同計(jì)算模式和系統(tǒng)之間進(jìn)行比較意義并不大，也并不意味著量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)就領(lǐng)先多少。經(jīng)典超算的發(fā)展歷史比較長(zhǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)有了固定的模式，大家可以公平比較和競(jìng)爭(zhēng)。而量子計(jì)算的研發(fā)路線(xiàn)和討論的問(wèn)題都不一樣，在很多維度上很難比較。?
應(yīng)用落地難的兩大挑戰(zhàn)
和整個(gè)量子科技的應(yīng)用情況類(lèi)似，目前可以看到量子計(jì)算的應(yīng)用前景，但大部分還無(wú)法落地。
張勇認(rèn)為，一方面也是因?yàn)榻?jīng)典計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)很成熟了，許多任務(wù)都可以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)完成，經(jīng)典計(jì)算完成不了的，目前的量子計(jì)算同樣不能完成。另一方面也是量子計(jì)算在理論上可行，但在實(shí)際操作上難度大。這既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，但是如果你不去嘗試，肯定永遠(yuǎn)都實(shí)現(xiàn)不了。尤其大家都能看到量子計(jì)算的應(yīng)用潛力，國(guó)外一直在加緊研究，因此搶占先機(jī)很重要。?
張勇解釋道，量子精密測(cè)量在民用、商用、軍事上都有很大的應(yīng)用前景，廣泛應(yīng)用應(yīng)該為時(shí)不遠(yuǎn)。而量子通訊技術(shù)相對(duì)比較成熟，尤其在中國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程化，比如墨子號(hào)、京滬新干線(xiàn)等，這些都是全球領(lǐng)先的，美國(guó)歐洲等國(guó)都沒(méi)有做到這么大規(guī)模的工程化。
?那么量子計(jì)算的真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景是什么？針對(duì)這一話(huà)題還存在很大的爭(zhēng)議與挑戰(zhàn)。張勇舉例道，比如金融行業(yè)的量子計(jì)算等都還在實(shí)驗(yàn)階段，并未到大規(guī)模民用服務(wù)階段；而在生物制藥領(lǐng)域，目前也只是模擬、實(shí)驗(yàn)，量子計(jì)算真正有效的服務(wù)于藥物研發(fā)才是真正的落地，還需很長(zhǎng)一段時(shí)間。
?張勇認(rèn)為，在應(yīng)用落地的挑戰(zhàn)上難點(diǎn)有兩個(gè)。
?第一，技術(shù)難度很大。量子系統(tǒng)易受擾動(dòng)，對(duì)環(huán)境條件要求高，比如超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，它要求接近絕對(duì)零度的超低溫環(huán)境。這樣的超低溫可以維持在小體積內(nèi)，但如果想讓大型設(shè)備都處于超低溫，制冷成本就太高。而長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定操控量子比特實(shí)現(xiàn)數(shù)量繁多的高保真度量子邏輯門(mén)，則難度更大。因此，量子計(jì)算要想實(shí)用化、通用化，現(xiàn)在很難實(shí)現(xiàn)，這就是技術(shù)難度。
第二，落地難，研發(fā)進(jìn)程長(zhǎng)。當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍廣，很多方面還沒(méi)有遇到瓶頸，量子計(jì)算的應(yīng)用沒(méi)有那么急迫。無(wú)論是軍事還是商業(yè)應(yīng)用，都還在搶先發(fā)優(yōu)勢(shì)，并沒(méi)有到非用不可的地步。?以對(duì)研發(fā)推動(dòng)力最強(qiáng)的軍事應(yīng)用為例，張勇說(shuō)道，美國(guó)軍方現(xiàn)在不會(huì)直接采購(gòu)量子密碼和量子計(jì)算機(jī)等量子技術(shù)產(chǎn)品，因?yàn)樗拇嗳跣院驮O(shè)備難以小型化不具便攜性。
2021年12月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局發(fā)布了一份5800萬(wàn)美元的量子啟發(fā)經(jīng)典計(jì)算(QULCC)項(xiàng)目招標(biāo)，購(gòu)買(mǎi)量子啟發(fā)求解系統(tǒng)為軍事任務(wù)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，在限定體積、功耗等條件下提高計(jì)算效率至少50倍。顯然，在硬件設(shè)備還不完善的條件下，美國(guó)軍方也更青睞利用量子算法求解軍事任務(wù)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
?當(dāng)下，最核心最重要的任務(wù)還是做出產(chǎn)品。在量子計(jì)算硬件設(shè)備還不能廣泛部署的時(shí)候，上云也是更為實(shí)際的一種方法。
張勇說(shuō)道，“事實(shí)上云計(jì)算發(fā)展得很快，在大眾還拿不到量子計(jì)算機(jī)的實(shí)物時(shí)，可以讓大眾接受量子云計(jì)算。比如IBM就提供了Quantum Experience量子系統(tǒng)和模擬器的全權(quán)限云訪(fǎng)問(wèn)，目前用戶(hù)已經(jīng)超過(guò)20萬(wàn)，已在IBM的量子系統(tǒng)和模擬器上運(yùn)行了數(shù)千億次運(yùn)算?！绷硗猓瑖?guó)內(nèi)的本源量子等公司都提供了量子計(jì)算云平臺(tái)，量子云是量子計(jì)算在目前階段能為人們展示量子計(jì)算的最有效途徑。?
要用長(zhǎng)期投資的眼光看量子計(jì)算
在商業(yè)發(fā)展上，張勇認(rèn)為一定要早布局早規(guī)劃。
現(xiàn)在的玩家以谷歌、IBM、微軟等大公司和初創(chuàng)公司為主，因?yàn)榇蠊咎崆邦A(yù)見(jiàn)這一風(fēng)口，所以在享受經(jīng)典計(jì)算帶來(lái)利潤(rùn)的同時(shí)，又利用手里掌握的雄厚資本開(kāi)始提前布局，一旦占領(lǐng)市場(chǎng)他們就可以獲得超額利潤(rùn)。而初創(chuàng)公司幾乎都是由業(yè)內(nèi)從事量子計(jì)算相關(guān)研究的高科技人才創(chuàng)業(yè)成立。
張勇強(qiáng)調(diào)，“我們一直說(shuō)知識(shí)要產(chǎn)業(yè)化，但在轉(zhuǎn)化的時(shí)候，只有這些專(zhuān)業(yè)從事量子技術(shù)又具有一定經(jīng)濟(jì)頭腦的科技人才，拿到融資后利用自己的知識(shí)積累和科學(xué)預(yù)判做一些初代產(chǎn)品，開(kāi)始的時(shí)候可能稍微慢一點(diǎn)，但未來(lái)可期?！?/strong>?
中國(guó)市場(chǎng)很大，潛在客戶(hù)很多。在國(guó)內(nèi)，政府是量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的最大“投資商”，不僅會(huì)投資中小初創(chuàng)企業(yè)，還會(huì)投資各大高校團(tuán)隊(duì)，至少在研發(fā)投入上，國(guó)家是作為“整個(gè)大公司”去傾力投注。在這一點(diǎn)上國(guó)外的大公司處于劣勢(shì)，因?yàn)橐坏┩度脒^(guò)多，研發(fā)陷入瓶頸，就會(huì)考慮要不要降低投入、要不要“撤”。?張勇認(rèn)為，從目前整個(gè)商業(yè)化發(fā)展來(lái)看，實(shí)力雄厚的大公司會(huì)領(lǐng)先，但初創(chuàng)公司應(yīng)該會(huì)在“某一點(diǎn)”上爆發(fā)。
張勇解釋道：“比如玻色量子公司，創(chuàng)始人文凱博士期間就是從事CIM方向研究，公司研發(fā)路線(xiàn)基本都是他原創(chuàng)性的東西，所以他可以做得很好。大公司習(xí)慣于廣撒網(wǎng)廣布局，而初創(chuàng)公司可以在某一專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域做得更好?！?
最后，張勇總結(jié)道，量子計(jì)算不是適合短期投資的行業(yè)，雖然中美政府都在投入大量的資金用于研發(fā)，但是美國(guó)的風(fēng)險(xiǎn)在于政策不穩(wěn)定，政府有時(shí)會(huì)突然縮減資金，而我們的十三五、十四五規(guī)劃，一旦規(guī)劃好的優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目，會(huì)有多年連續(xù)不斷的穩(wěn)定投入，這就是我們中國(guó)的體制優(yōu)勢(shì)，再加上我們中國(guó)人的勤奮、努力和智慧，在量子計(jì)算領(lǐng)域中國(guó)的未來(lái)發(fā)展一定會(huì)越來(lái)越好。
?文：慕一
編輯：王珩
