风口还是寒冬？量子计算的现状与未来

墨子沙龙推出全新播客栏目，香港科技大学王一副教授作为主持人，每期邀请前沿科技从业人员探讨实时科技热点。本期唠嗑实验室邀请到了浮生、Shaojun两位超导量子计算领域的科研人员，和我们一起探讨大家关心的量子计算方方面面。

01

出圈的“量子计算”充满争议

▲量子计算机

王一：“量子计算”这个词前几年开始出圈，从科学界的学术名词变成热搜常客。比如，2019年，谷歌推出悬铃木量子计算机，宣布实现了所谓的“量子霸权”（现在一般叫“量子优势”）。但也有一些科学家会“量子吐槽”。

Shaojun：每一个新兴领域总会存在很多讨论和争议。以量子计算这个方向来说，这些讨论和争议可以分为两类，第一类是目前很多关于量子炒作的讨论，网络上存在许多关于量子计算的一些报道，还有不少夸大事实的宣传，导致很多人觉得量子计算即将投入使用，在量子金融、药物研发以及材料开发领域能马上获得效益，但实际上这个目标仍非常遥远。

很多科学家认为这些夸大事实的炒作会给量子领域带来坏处，所以非常多的科学家，包括我们熟知的John Preskill*以及陆朝阳老师都在各种场合和报告里反对这样的炒作。

另外一方面，量子计算仍然是非常前沿的领域，很多相关基础知识仍没有非常普及，很多人因此对量子计算存在着不少误解。

王一：所以说，我们需要对量子计算保持不吹不黑、客观中立的态度。

注：John Preskill，理论物理学家，提出广为人知的量子计算概念，包括量子霸权(quantum supremacy)和含噪声中等规模量子(NISQ)。

什么是量子计算？

王一：一些比较有名的科幻小说或影视作品里提到过量子计算，比如《流浪地球》里面的Moss，还有刘慈欣的另一篇小说《诗云》。但这些作品中的量子计算机实际上不过是很厉害的计算机，“量子”只是个名字，只要突显它的厉害就行，实质上与量子无关。

▲《流浪地球》剧照

浮生：量子计算现在听上去很科幻很高大上，因为大家对它的一些基本概念不甚了解。

我认为量子计算的核心概念就是叠加性。比如说，我们有一个经典比特，不是0，就是1的状态，是基本的二进制。然后以此作为最小基本单元，构造出所有数字逻辑。

而在量子计算中，最小的基本单元则是量子比特。它的神奇之处在于这个量子比特会表现出叠加态，即可以同时处于0和1的状态。接下来我们进一步扩展，如果现在有两个量子比特，那它们就同时处于4种状态中：00，01，10和11。我们继续扩展，假设有n个量子比特，它们的状态空间就是2n，呈指数增长的过程，所以态空间可以非常大。这便是量子计算一个非常重要的特性——量子叠加性。

此外，量子计算还有第二个非常重要的特性：通过测量，量子比特会发生坍缩现象。就是说，虽然量子比特本身可以处于许多叠加态，但当我们最后去读取的时候，它会坍缩成经典状态，只能得到一种可能性：非0即1。其实，对量子计算的很多误解就在于没有把测量导致的读取坍缩过程给说清楚。

王一：量子叠加性、量子力学的线性叠加这些概念听上去特别抽象，但也可以很形象地描述出来。只要大家都参加过群聊，QQ群聊，微信群等等，都能理解。假设你在某一个群里面，有一帮人在聊自己的爱豆，同时另一帮人在讨论哪个影视版本的《三体》更好看。这两帮人各说各的，互不影响，大家会经常遇到这样的情况。那么，量子力学告诉我们，我们的世界也是如此，我们所在的这个世界和一个量子平行世界，这两个世界“各吵各的”，互不影响，所以可以高度叠加，类似于平行宇宙这样的观点。

从叠加性角度来看，量子计算机可以看作是在不同宇宙里面“各做各的”计算，从我们的宇宙里算一部分题，从平行宇宙里再计算另一部分的题。而最关键的一点，是要在这些宇宙彻底分叉再拉回来之前，我们通过测量，把平行宇宙里高度平行的东西投影到我们所在的宇宙里，这便是量子计算厉害之处。

“入坑”量子计算

浮生：我上大三的时候，参加过大四师兄的科技兴趣小组，每周都会分享前沿科技信息。有一次，我从师兄那里听到了D-wave这家公司，当时就很好奇，后面上网看到了他们的官网，印象特别深刻。我点击进去后跳出来非常酷炫的主页，还有一行字：欢迎来到未来（英文：Welcome to the future）。至今仍记忆犹新，这是我第一次听说量子计算，当时网站上还有教程，我看了一遍教程，对量子计算有了大致了解。如今，D-wave已经上市，当年它可是全球唯一的量子计算公司，但后续发展不太理想。

▲D-wave 网站页面

我本科毕业后选择研究生时，特别心仪物理、计算机交叉学科的方向，所以对当时的我来说，量子计算就是完美选择。后续博士深造过程中就以量子计算为方向，一直研究到现在。

王一：我们现在很多科研工作者非常擅长科学研究，但他们的相关网站过于简单。这也反映了我们需要将科学与科普相结合，更好地展示科学及成果，让大家更容易找到自己感兴趣的方向。

Shaojun：我当年选择研究生方向的时候也比较迷茫。学校在保研之前会举办各种夏令营活动，我曾游历于各校之间，参观过许多实验室，其中包含了很多方向。我其实也对物理计算机相关的交叉学科内容非常感兴趣，甚至还考虑过计算神经学。但参观了量子计算实验室之后，被其强大的潜力所吸引，就决定往这个方向继续走下去。

我和浮生研究的方向都是超导量子计算，如今量子计算方案种类繁多，包括超导方案，光学方案，离子阱方案，以及中性原子方案等。而超导量子计算方案在所有方案中的比重超过50%。超导量子计算的载体是称为之“量子计算芯片”的处理器，这一处理器与传统计算机处理器的概念相似，而且量子计算的完整过程也是在芯片上完成。此外，超导量子芯片的制备工艺与传统半导体工艺相似之处颇多，我们能够借鉴相关经验，因此超导方案拓展潜力巨大，广受科学家的青睐。

浮生：超导处理器和半导体的制备工艺非常兼容，印刷可以非常快。另外一个重点则是对处理器的测控，这方面借鉴了经典处理器非常成熟的相关应用，在微波频段一整套的电子学系统，而且还有完整成熟的工具链。从这两方考虑的话，超导方案的扩展性前景光明。

02

量子计算的发展现状

量子计算的物理实现阶段

王一：今年年初在中国科学技术大学上海研究学院举办的墨子沙龙活动中，量子科学领域的著名学者陆朝阳提到了量子计算的物理实现，具体可分为四个阶段：量子算法的原理演示，对特定问题的解决超越经典计算机，有应用价值的专用量子模拟器，以及容错的通用量子计算机。

浮生：第二阶段其实就是最近大家都很关注的“量子优越性”，我们基本上在超导体系组成后，以及九章光学体系都达到了这样一个阶段，也是重要的里程碑。从里程碑式的宽泛角度来看，这样的阶段划分很合理，指明了我们的发展方向，每一步需要重点关心的问题，或者需要攻克的难点。

我们现在正处在第二阶段迈向第三阶段的时候，目前大家对量子计算的诟病或者期望就是它还没能解决实际问题，从有应用价值的角度来求解问题。第三阶段可能是整个行业都在重点研发的内容，包括量子计算在软件算法中的应用，以及从硬件上提供足够高性能的计算机器。

Shaojun：第三阶段的专用量子模拟器和第四阶段的容错通用量子计算机两者的区别，我认为最主要的是解决问题的思路。以通用量子计算机为例，想象一下，我们可以把任何问题都给投射到量子计算机上，它能解决我们在传统计算机上可以解决的任何问题，反过来说，由于传统计算机性能不够，我们可把一些特定类型的问题转移到量子计算机上去求解。

而量子模拟机则是解决基于某一物理现实的特定问题，投射的思路是投射到某一个基于物理事实，例如哈密顿量的模拟方向，来实现适应哈密顿量的问题求解。

浮生：容错通用量子计算机是我们的梦想，对量子计算来说，这是我们认为能最大发挥量子计算价值的重要途径。当我们能制造出容错通用量子计算机的时候，就意味着我们可以容忍计算中存在的一些噪声，但却不会限制计算错误率。我们通过纠错方案，可以将保真度降到非常低的水平，例如降低1e-10到1e-11这种量级。量子纠错是量子容错的基础，而容错是量子计算领域的终极目标。

量子计算的发展现状

Shaojun：以超导量子计算方向为例，目前世界上主要的超导方向实验室分为两大部分，企业中主流的超导量子计算公司有我们熟悉的谷歌、IBM、Rigetti，SQC，还有国内的国盾量子等。而科研机构内主流的实验室则包括MIT、麻省理工学院、耶鲁大学、代尔夫特理工大学以及苏黎世联邦理工学院，国内大型的实验室有中科大、浙江大学、北京量子院以及清华大学。

如果从全球范围来看，目前投入最大的国家以及地区有中国，我们从过去到未来投入了超过150亿美元，用于量子信息方向的研发。第二多的是欧洲，去年投入了约84亿美元，排名第三的是美国，投入有37亿美元。不过我们只计算了公共资金，即政府层面给的资金支持，没有涉及诸如企业之类的民间资本投入。

王一：量子计算和其他物理研究有一个很大的区别，以理论物理、凝聚态物理研究以及各种实验，例如加速器实验室来看，一般都是大学在投入。但量子计算不一样，大学也在研究，企业也在研究，甚至很多企业领先于大学。

浮生：在量子计算达到某一研究阶段之前，国内外可能都属于科学探索方向，随着探索的不断深入，发生了某些事件，或者创造出了某一技术，然后企业界发现他们也能做到，并带来相当可观的商业价值。此时，企业便将其作为前沿技术的预储备，开始投入研发。对公司来说，他们更侧重于技术的商业价值，变现能力，将所有算法、硬件的功能发挥到最大，整个应用能够产生使用价值。

而学术研究则不同，学术更多的在于需要功课一些技术问题，但这问题目前并不会对量子计算产生直接影响，可能在5年或者更长时间之后，技术难题被攻克，科学家们终会发现其中的价值。

企业注重时效性和价值产出，而学界更多聚焦与基础科研问题，两者分工因而不同。

王一：但企业在量子计算领域里面可能参与得快，退出得也很快。比如有新闻报道，2023年底阿里达摩院裁撤了量子实验室，其中的一些设备都捐赠给了浙江大学。而今年初，百度的量子计算研究所也传出一些变动，将旗下的量子实验室设备捐赠给北京量子信息科学研究院。

▲澎湃网新闻

Shaojun：阿里巴巴在量子计算领域的投入巨大，实验室规模庞大，实验设备丰富，专业人才充盈，他们拥有量子计算全栈研究能力。他们还选择了fluxonium这一种新兴的量子比特结构，研究扎实，在领域内贡献了很多意义重大的工作。例如最初的太章量子电路模拟器，以及在fluxonium量子芯片上实现了对量子比特极高精度的操控。

另外，他们还做了很多材料研究，今年2月初团队在预印本网站arXiv上发表了最新文章。我年初听他们报告的时候，看到他们正在研发更大规模的22个量子比特芯片，但只做出了基础的性能标定，因为实验室裁撤的原因，最终没能继续测试下去，非常可惜。

而百度的量子计算研发规模相比而言则稍小一些，而且整体上来看，百度量子计算主要专攻的方向是软件和算法，实验方面的研究并不算多。

浮生：虽然阿里和百度都选择在目前的节点退出量子计算领域，但我个人认为不一定是量子科研这个领域内的困境，可能是更大经济背景下的结果。一个量子科研项目往往长达5年甚至10年，时间跨度长，在经济不景气的情况下，对于不能及时产生有效价值的部门，很容易被砍掉，又或者说整个企业的利润不足以支撑那些当下没有实际产出价值的团队。

目前看来，国外企业像谷歌、IBM或者亚马逊，他们的量子计算团队仍处于扩张阶段，每年都会新招几十人。而且每隔一两年，谷歌或者IBM都会更新自己的路线战略图。从公司执行层面上来看，包括人力资源的规划都会参考路线图的战略规划，当整个路线比较明确的时候，企业就会一直坚持投入并执行下去。

“新玩家”入局

王一：如今在国外的一些公司里边，我们不仅看到一些老玩家，也看到逐渐有新玩家的加入，比如说像英伟达。今年的GTC会议上，他们也发布了一些跟量子技术相关的计划，还有Open AI，最近也跟量子计算联系起来了。

浮生：我认为英伟达加入量子计算领域是很合理的结果，因为无论是量子、计算还是英伟达本身，他们的核心都是提供算力。大模型时代的到来，让算力供不应求。在拥有了充足的资金之后，英伟达布局进入同为算力，但以另一种计算范式为基础的量子计算，我认为这是很合理的过渡。进入量子领域，也相当于扩大了量子生态，基于量子模拟或仿真，能充分利用他们的GPU搭建好全新生态。而且对新入局的外国科技巨头来说，这是一种提前布局，以免错过未来可能产生的巨大价值、带来的颠覆性效果，就如同我们以前从功能机到智能手机的颠覆与飞跃。错过就会失去很多机会。

03

量子计算的未来

量子计算的未来

Shaojun：首先，我认为量子计算是需要重投入的领域，在量子计算真正实用化之前，这个方向的领先成都肯定是与国家和地区的综合实力相关。目前，我国在量子计算领域投入很大，而且拥有大量STEM人才，未来随着国家综合实力的提升，未来量子计算的中心一定在中国。

浮生：我觉得客观来讲，美国现在仍然发挥着引领者的角色，但如同其他领域，中国的希望非常大，无论是人力资源还是资金投入，包括产学研的协作。另外中国本身体制上的优势也有助于实现大型交叉项目的推进和落地。

王一：在中国，诸如量子计算这样的头部科研领域，我们已经开始进入了角色转换阶段，从追赶者逐步成为引领者，我们希望未来我国的量子计算能够引领世界量子计算潮流。

浮生：量子计算未来可能会遭遇一轮或多轮周期，会过热，也会过冷。但如果我们持续正常投入，将其视作科学问题，通过工程化的理念或思想去推进，便能够不断深入了解。至于量子寒冬或者量子炒作，我认为这是正常的必经阶段。别人炒作时，我们要保持清醒的头脑，量子寒冬期则要保持乐观，坚持探索、推进，让其度过寒冬，最终我们应该能实现我们的梦想：容错通用量子计算的第四阶段。

量子计算人才就业状况

浮生：现在整个方向仍然还是比较小众的状态，可能相关专业的学生数量并不多，一般来说毕业后可选的道路包括在学术界继续深造，或者做博后，或者继续在其他研究组从事科研。这条道路可以很漫长。在国内，还是有企业在量子计算领域继续投入，也包括相关的交叉方向。

据我所知，有一些量子计算产业对硬件技术有需求，要求高，称为重资产投入。如果再往上一层考虑，则会涉及软件相关的算法，例如制药企业，银行或者金融企业，他们会设立一些前瞻或者前沿岗位来推进应用的发展。

如果量子计算最终实现……

浮生：首先比较确定的是，那时通用量子计算机与经典计算机仍然共存，一些面向日常生活活动的计算场景，例如打游戏、写文档、听博客等，还是由经典计算机来完成，尽管原则上量子计算机也能做到，但难免有些大材小用。

我觉得通用量子计算机的作用应该会与现在的经典超级计算机所组成的超高性能计算系统一样，专门解决一些特别复杂，难度特别高的计算问题，而且所部署的环境、维护等要求都比较苛刻，主要由大型专业机构来操作。不过，仍然可以通过量子云的计算形式提供外部服务，毕竟它具备弹性资源或负载均衡等经典云计算特性。对于大学机构、医院，他们对算力的要求不那么高，能购买一些弱化版安装到本地运行。

接下来，我们可以更自由地畅想一下，有了量子计算算力后，能解决很复杂的问题，会发生什么？量子计算在模拟原子-分子相互作用方面优势显著，以药物研发为例，也许量子计算能够在一周甚至一天之内就完成新药物的模拟和测试，还可能精确地针对每个个体定制、设计这些药物。比如新冠感染，或者目前难以解决的疾病，癌症、阿尔茨海默症、艾滋病等等，我觉得都可以通过量子计算得到有效解决。那时候，我希望每个人都能健康生活，免受疾病折磨。

另外，在材料研发领域，其本质也以原子-分子相互作用为基础，那就有潜力解决诸如电动汽车电池材料问题，通过量子计算机设计出能量密度高、充电速度快的安全电池材料，缓解充电慢、里程焦虑等各种问题。

同样，在航空航天方向，我们可以通过量子计算设计出全新的燃料电池，甚至包括火箭外部那种高强度但又极为轻薄的材料。此外还可参与航线规划，有助于实现星际航行。

我们还能进一步发散思维，将量子计算作为底层计算殷勤，来处理及其庞大规模的数据，甚至加速通用人工智能的实现。

不过最后我还想补充一点，我们无法想象超出目前所有认知范围的情况，就好比50年前，我们应该想象不到21世纪的世界，所以量子计算的未来充满了无限可能。我希望大家能始终保持好奇心、激情和耐心，将量子计算当成漫长却有趣的冒险。在探险过程中，我们积极塑造它的同时，它反过来也塑造了我们对自然、规律以及自身的理解。

Shaojun：我认为对于一个新兴方向，我们确实很难预测实现通用量子计算之后的具体情景，但一定会推动社会生产力的发展。

王一：期待在通用量子计算的时代，我们能开着电动车满街跑，坐新式飞行器满天飞。

整理：阿金

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