量子计算机不是比电子计算机先进吗？我们为何不弯道超车？

ASML是全球许多大型计算机芯片厂商的核心光刻机供应商，主要客户包括高通、英特尔、三星和台积电等。光刻机精度，决定了芯片的上限，而ASML垄断了顶级光刻机。

光刻机是生产电子计算机芯片的主要加工工具，没有这个加工工具就生产不出电子芯片。目前，中国只能生产90纳米的光刻机，而ASML的目前最先进的光刻机已经可以生产5纳米的芯片了，距离相差还是很远，关健人家还不卖给你，对中国的关健设备进行封锁，也也就引发了最近的美国制裁华为的事件，美国对中国断芯的后果是很可怕的。所以，相信为什么会有这个问题出现，今天，小编就为大家来科普一下，对于光刻机我就不再介绍了，重点说说量子计算机的知识，也让大家知道，为什么量子计算机还不能代替电子计算机的原因所在！

首先，说说量子计算机有多先进？

最近，NASA发布一篇报道称，谷歌已经利用一台53量子比特的量子计算机在几分钟内就成功处理一项特殊任务，如果使用世界上最先进超级计算机，耗时将需要10000年左右。

为何量子计算机比传统计算机的预算快这么多？

量子计算

传统计算机与量子计算机的区别

经典计算机采用二进制位来编码和存储数据，通常用电子元器件中电平的高与低(或者电荷的有与无)两种相反的状态来代表“0”和“1”编码，比特(bit)是经典计算机最小的信息存储单元。

量子计算机就是利用微观粒子状态来进行存储和处理信息的计算工具，其基本原理就是通过物理手段制备可供操控的量子态，并利用量子态的叠加性和相干性等量子力学相关特性进行信息的运算、保存和处理操作。　　

量子计算机

量子位(qubit)是量子系统的基本粒子，如原子、光子和凝聚态物质等都可作为基本量子位。由于量子计算机是以量子物理的性质和规律执行计算任务的装置，因此它存储信息的基本单元为量子比特(qubit)。

传统电子计算机存储电平的高低，每次只能处理一个比特的状态数据。量子计算机存储量子比特，一次运算就可同时处理多个状态的信息。经典计算机对2n比特的数据执行相同计算需要2n次操作，而量子计算机只需要对ｎ个量子比特进行一次操作即可。正因如此，量子计算不管在数据存储能力还是数据处理能力上都远超经典计算。

量子计算

量子计算+人工智能时代

现在的人工智能系统使用的是成百上千个GPU来提升计算能力，这使得处理学习或者智能的能力得到比较大地增强，然而这套系统也需要庞大的硬件机柜和相配套的硬件机房。较大型的人工智能硬件系统需要将近半个足球场的占地空间，这无疑是对人工智能发展的一个重要限制。

根据IDC的数字宇宙报告，2020年每个人可以均摊到5200GB以上的数据量，基于现有的计算能力，在如此庞大的数据面前，人工智能的训练学习过程将变得无比漫长，甚至完全无法实现最基本的人工智能。

量子计算

而现在量子计算机已经实现了1000位量子比特，计算效率比经典计算机要快一亿倍。也就是如果想要实现人工智能，原来需要一千台计算机，或者需要一万台计算机的规模，现在只要用一台量子计算机就可以了。而且这个量子计算机的计算能力完全能够满足人工智能对速度的要求，也就是人工智能将不再依赖于大型服务器集群。

量子机器学习理论现在虽然处于起步阶段，至今没有形成完备的理论体系，大多研究还处于探索实验阶段。但随着制造工艺的不断提升，量子计算及量子机器学习理论的不断完善，量子机器学习将极大促进现有机器学习的发展。量子计算机是人工智能的最佳选择。

中国研究量子计算机的现状

2017年5月3日，中国科学界潘建伟教授在发布会上放出一个重磅消息:中国科研团队宣布成功构建光量子计算机，首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力，其计算速度是国际同行24000倍，经典算法也比世界第一台电子管计算机快10-100倍。

其实，5月3日中国发布的量子计算机成果，属于目前世界上两种量子计算机范畴--光量子计算机和超导量子计算机，中光量子的那种。

5月3日发布的是一台只有5个光量子比特位的原型机，这台原型机的计算能力已经非常强大了。

潘建伟说:“我们计划在今年(2017年)年底实现大约20个光量子比特的操纵”。而同期世界最快的超级计算机能处理约45个粒子，也即45个光量子比特，所以说我们与世界先进水平差距还是颇大的。

在超导量子计算机方面，中科大和浙江大学的联合团队自主研发了10比特超导量子线路样品，也即是说可以操纵10个量子位。

在相同领域，谷歌2015年可以操纵9个量子位。去年5月，IBM发布的是一款拥有5位量子位的量子芯片。

最近英特尔发布消息称，成功开发出17位量子位计算测试芯片。

2019年10月份，谷歌在《自然》杂志上正式刊登了论文宣布其拥有53个有效量子比特的量子计算机上在量子随机线路问题上超越了经典的超级计算机，证明量子优越性，而谷歌所说的量子优越性就是我们常常听到的量子霸权！

从公开的消息来看，我国在量子计算机方面的研究处于世界偏上梯队，在光量子计算机方面即使年底达到20个量子位的目标，与顶尖技术45个量子位也是有相当大差距的。在超导量子计算机方面，10个量子位，还不算掉队。在量子信息领域处在世界前列，在量子加密通信方面更是遥遥领先于世界。在量子计算方面，我国稍落后于美国，但落后并不算严重，在可追赶范围内，毕竟我们起步较晚。

我国的量子计算机研究落后了吗？

而国内在量子计算方面追赶的中科大团队则几乎在谷歌论文正式刊发的同一天提交了20光子输入60*60模式的玻色采样论文，虽然看起来跟谷歌相比差得有点远，而中科大团队方面表示正在努力提升可操控的量子比特数，计划争取在明年年底发布50比特左右的玻色采样量子计算机。（注：玻色采样与谷歌的随机量子线路采样是两个不同的问题，也就是两国目前走的路不尽相同。）

如果真能实现，那么我国跟世界最顶尖的科技公司在量子计算方面的差距就只有一年时间了，而在量子加密通信方面，他们则落后我们至少两三年。

量子加密通信和量子计算机的战略意义

量子加密通信方面，目前还不知道有什么战略意义，现在已经铺设的京沪干线量子保密通信线路并非军事专用的，而是同时应用于金融、政务、国防、电子信息等领域，实际上对于军事用途，在目前的经典密钥加密情况下已经足够安全了。不过未来的真正量子计算机将摧毁这种安全性，在构想中的量子计算机面前，大多数数字算法产生的密钥都不堪一击，因此，真正的可编程通用量子计算机发明出来首先考虑一定是军事用途，即使会用于科研，各国应该也会技术保密，并禁止出口。

还有近期传来了一个好消息，华为又爆出了一个PC领域的黑科技――昆仑量子计算。

据悉，华为的昆仑量子计算机已经做出了原型，这台设备同样是出自研发过海思芯片的2012实验室。

在传统PC领域，想要超越英特尔和微软，显然是一件非常困难的事情。量子计算机的出现给予了中国企业一个新的机会，对于这个领域我们和国外处于同一个起跑线，华为早在12年的时候就已经窥探到了量子领域的广阔前景，当时就组建了专门的量子实验室，聘请了相关领域的知名专家，目前华为的量子计算研发团队主要的重点在于，量子算法、量子人工智能、量子模拟等领域进行技术突破。

中国的量子技术，军民两开花，在军用领域，我们有了自己的军用量子计算机、世界上第一颗量子通讯卫星，在民营领域，我们的华为有在量子计算机领域取得了诸多的突破，这可不是空口白牙，据日本发布的《从全球专利地图看量子技术2.0》的调查报告显示，全球量子领域的专利共有4088件，其中1387件来自于中国，位列所有国家榜首，美国、日本次之，从专利数量上来分析，中国目前已经成为了世界量子领域的先驱。

量子计算机就真的没有缺陷吗？

过去二十年来，人们在分离，操纵和测量可形成量子计算机基础的元素方面取得了稳步的进展，无论是单个量子实体，如原子，电子或光子，还是显示量子力学行为的人造系统，如半导体结构或微型电子电路。研究人员现在已经有了量子计算机可以工作的原则证明，但是接下来要解决的前所未有的挑战的规模之巨大也是很明显的。

世界各地的物理学家，数学家，计算机科学家和工程师正在试图解决这样一个问题——该如何构建和操作一个足够大的量子计算机，从而能够在一些任务中打败经典计算机。商业公司也参其中。最终的量子计算机会是什么模样，它将使用哪种量子系统，以及它究竟能解决哪些问题依然悬而未决。所有这一切都在推动各种激动人心的研究。

量子计算机目前来说体形比较大，能耗也大，工作时温度高，需要降温设备，目前需要在-272°C或1开尔文以上的温度下运行。这可能看起来仍然很冷，但是它足够温暖，有可能实现功能的巨大飞跃。

目前一台量子计算机的使用寿命不到一年，所以还在实验室中。就算研制成功了，也只有运用在服务器上，并不可能像家用电脑一样流行。

量子计算机是目前所有计算机中计算速度最快的，是现在电脑的1万倍以上，甚至更高。可以说用量子计算机可以破解任何现在计算机中的密码，包括银行密码！

所来，量子计算机性能很强大，但可能不会象目前的电子计算机一样那么小型化，更大的可能是运用在服务器上，用于云计算、云储存。

另外，除了目前的硅基芯片外，现在科学家在研究碳基芯片，碳基芯片在理论上性能要比硅基厉害多了，也就是说为什么地球上生命都是碳基生物，碳在电子方面比硅要更稳定，有可能代替目前硅芯片。我国北大团队的方案很好地解决了这个问题，目前已经可以在8寸晶圆上均匀摆放碳纳米管了。研制作出碳基芯片，性能远超过同规格硅基芯片。

但虽然从性能上已经超过了同规格硅基芯片，但从制作工艺上远不如硅基芯片成熟，另外从制程上也远不如硅基芯片先进。

北大彭练矛院士说，争取两年内实现90纳米碳基芯片的量产，其性能相当于28纳米的硅基芯片，虽然不算优秀，但至少可以在很多低端场合使用了。如果掌握了量产技术以后，通过改进，按照摩尔定律一两年内就可以60纳米甚至45纳米工艺的制造，这应该就可以媲美10纳米或7纳米的硅基芯片了。

同时，碳基芯片由于其独特的性能，比硅基芯片更适合做3纳米及以下工艺的芯片，其次虽然性能先进，但对光刻工艺要求不太高，完全可以使用现有的光刻机，对极紫外光刻机的需求并不迫切，至少要，演进3到5代以后，才需要极紫外光刻机的协助，那是10年左右的时间了，给我国自研极紫外光刻机，留下了5到10年的缓冲期。当然这只是我个人的猜想，具体进度可能因环境、技术的问题而有出入。

还有，就是光子计算机，光子计算机虽然比量子计算机慢，但是由于运行环境要求较低，所以比较实用，目前研究的光子计算机已经可以与人脑进行连接。

2020年2月2日，上海交通大学集成量子信息技术研究中心金贤敏团队研制出一种结合集成芯片、光子概念和非冯诺依曼计算架构的光子计算机，新计算机不仅在解决某些难题方面拥有超越经典电子计算机的潜力，且物理尺度可扩展。该研究提供了超越经典计算机计算能力新思路，预示光子计算机未来可期。研究发表于最新一期美国《科学进展》杂志。不依赖脆弱的量子特性，而是更多借助光子本身的优势，展示出光子计算机在特定计算问题上超越经典计算机的潜力。

另外，我国面临的最大问题不是研究跟不上，很多领域的研究是紧跟世界前沿，甚至引领世界的，但在研究成果转化成工业生产这个环节上，问题最大。除了高端生产设备缺乏以外，很多科研成果难以找到合适的企业进行产业化，也就只能停留在实验室阶段。

希望国内的高新技术企业应该多跟科研单位对接，在一些前沿领域风险投资提前布局，这也是我说，碳基芯片值得华为投资的原因。最后希望我们国家能加大力度打通产、学、研通道，让先进的科研成果尽快转化成生产力，最终能在高新技术领域形成自己的产业链，才能不再被外国卡脖子了。