三國時期有魏、蜀、吳三分天下，現(xiàn)在的量子計算的路線也正逐漸涌現(xiàn)出“三國分立”的態(tài)勢。
?當(dāng)前，量子計算技術(shù)路線有很多，尚未完全收斂，但是當(dāng)下有三大技術(shù)路線表現(xiàn)更為耀眼，吸引了最多的研究團隊和企業(yè)的參與，它們分別是：超導(dǎo)量子計算、離子阱量子計算、相干量子計算（Coherent Ising Machine）。其中，相干量子計算是一種新興的方案。在物理體系上，相干量子計算采用了光量子來構(gòu)建量子比特，是第二代光量子計算方案；在實用性上，也是落地性和應(yīng)用賦能最優(yōu)方案選擇之一。

三大流派的“分庭抗禮”

首先，我們要先了解這三大流派的“分立”派系。

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超導(dǎo)量子計算是目前最有希望實現(xiàn)通用量子計算的候選方案之一，它利用超導(dǎo)電路振蕩來編碼量子比特，核心是約瑟夫森結(jié)——通過納米尺度的絕緣層鏈接兩塊超導(dǎo)體，可以構(gòu)建出基于相位、電荷或磁通量的量子比特，既可以用于實現(xiàn)量子門計算（Gate-based），也能用于完成專用量子計算（如量子退火）。如谷歌和IBM正在開發(fā)的都是基于門的量子計算機，而加拿大的D-Wave則是用超導(dǎo)量子計算路線發(fā)展出了專用的量子退火計算設(shè)備。

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離子阱量子計算的技術(shù)原理是利用電荷與電磁場間的交互作用力牽制帶電粒子體運動，并利用受限離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)組成的兩個能級作為量子比特，是一種將離子通過電磁場限定在有限空間內(nèi)的設(shè)備。離子阱量子計算機的最大優(yōu)勢就是全連接性和低錯誤率。但離子阱難以擴展，在可操控性上也很弱，而且與經(jīng)典計算很難實現(xiàn)兼容。

相干量子計算（CIM）基于光量子系統(tǒng)的相干伊辛計算架構(gòu)（Coherent Ising Machine，CIM），充分利用光量子常溫下編碼操控和其在相干時間、室溫工作、全聯(lián)接、高維糾纏操控等方面的技術(shù)優(yōu)勢，目前量子比特數(shù)規(guī)模達到10000以上，可在組合優(yōu)化、人工智能加速等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用落地。

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如果將量子計算商業(yè)化比作大山，在經(jīng)過近年來的市場驗證，以深耕量子退火的D-wave為代表的專用量子計算行業(yè)的商業(yè)化進程最為超前，幾乎攀登到半山腰了，遠遠領(lǐng)先于其他技術(shù)路線。然而，新興的相干量子計算或許會加快助力量子AI架構(gòu)的商業(yè)化應(yīng)用，甚至有可能會是量子計算市場中的一匹“黑馬”。

CIM的“優(yōu)越感”

事實上，以超導(dǎo)量子計算為例，超導(dǎo)量子計算核心致力于構(gòu)建一個多比特超導(dǎo)量子計算架構(gòu)平臺，解決超導(dǎo)量子計算規(guī)?；慨a(chǎn)中遇到的難題。雖然其電路在設(shè)計、制備和測量等方面，與現(xiàn)有的集成電路技術(shù)具有較高的兼容性，對量子比特的能級與耦合可以實現(xiàn)非常靈活的設(shè)計與控制，極具規(guī)?；臐摿?。但有一點致命問題存在，就是該類量子計算機的量子優(yōu)勢只適合10%的問題上，且需要花費90%以上的復(fù)雜度和高成本來解決量子比特數(shù)規(guī)模擴展、控制和糾錯等一系列問題。

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所以當(dāng)下的通用量子計算機，只是在特定問題上展現(xiàn)出了量子優(yōu)越性。谷歌恰好利用了這一點，谷歌2019年研發(fā)的53量子比特的 Sycamore（懸鈴木）在特定計算任務(wù)上用200秒完成了超級計算機Summit（巔峰）要10000年才能完成的計算量。但是這個特定的計算任務(wù)就是為Sycamore“量身定做”的，不具備實用性，無法應(yīng)用于實際生產(chǎn)生活場景中。所以說通用量子計算距離商業(yè)化還很遠很遠。

另外，基于超導(dǎo)與離子阱目前僅僅數(shù)十個的物理量子比特數(shù)規(guī)模，進行糾錯后真正可用的邏輯量子比特數(shù)寥寥無幾，這就極大的限制了其實際計算能力，而想要進一步拓展量子比特數(shù)規(guī)模，還需要等待技術(shù)的突破。

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而對于量子退火等專用量子計算設(shè)備，在舍棄了通用的情況下將專機專用發(fā)揮到了極致。D-Wave公司正是緊緊抓住這一點，才實現(xiàn)量子計算商業(yè)化的戰(zhàn)略落地。目前，D-Wave 的量子系統(tǒng)已擁有 5000+ 量子比特規(guī)模，以及超過 15 路的連通性，并在物流、人工智能、材料科學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)安全、故障檢測和財務(wù)建模等各個領(lǐng)域，構(gòu)建了 250 多款早期應(yīng)用程序，已經(jīng)將硬件設(shè)備銷售給了洛馬公司、NASA等客戶，商業(yè)化進程穩(wěn)步推進。

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雖然相干量子計算起步較晚，但在未來，混合計算架構(gòu)：“經(jīng)典計算機+量子AI架構(gòu)”或許會是未來量子計算商業(yè)化的主基調(diào)。因為從設(shè)計原理上看，量子AI架構(gòu)只需要10%的復(fù)雜度和成本，就可以解決AI里90%以上應(yīng)用范圍的問題，具體到AI問題上完全具有量子優(yōu)勢，這一特點使其商業(yè)化落地勢頭非常迅猛。

由于相干量子計算最擅長攻克的就是組合優(yōu)化問題，可應(yīng)用賦能領(lǐng)域涉獵金融業(yè)的投資組合優(yōu)化問題、資本風(fēng)險分析建模；生物制藥業(yè)的蛋白質(zhì)折疊、小分子組合和DNA重組；物流業(yè)的物資運輸?shù)?，這些都是企業(yè)和政府客戶在實際工作中經(jīng)常遇見的復(fù)雜度高且計算量大的常規(guī)問題，貼合市場需求，普適率高。

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當(dāng)前，日本NTT和日本國立情報學(xué)研究所利用光學(xué)器件研發(fā)的相干量子計算設(shè)備，已經(jīng)開始與東京大學(xué)等團隊在合作研究開發(fā)在AI上的應(yīng)用。國內(nèi)的玻色量子科技正在研發(fā)1000+量子比特級別CIM量子AI協(xié)處理器工程樣機，以及相應(yīng)的加速算法。圖靈量子在今年六月也發(fā)布了首臺商用科研級專用光量子計算機，并在2021年P(guān)T展上公布其在CIM方向的商業(yè)布局。未來，相干量子計算將進一步展現(xiàn)出它的優(yōu)越性，將量子計算的生產(chǎn)力賦能到各行各業(yè)。

文：慕一/王珩

編輯：王珩