量子计算前沿解读：一窥未来技术

Loic Henriet

法国量子技术企业Pasqal首席技术执行官

Landry Bretheau

巴黎综合理工学院教授、量子物理学家、凝聚态物理实验室（PMC）研究员

量子计算机是计算机科学技术的一种前沿发展，它利用量子力学的性质进行计算，已成为当今科技领域备受关注的热门话题。什么是量子计算机？当前量子计算机的发展存在怎样的问题，面临何种挑战？量子计算机在哪些领域具有应用前景？

与传统计算机不同，量子位可以同时代表0和1。由于它们的叠加状态，可以做并行计算，从而加快复杂问题的求解。

现有硬件不成熟导致计算无法完成、发生错误的情况，量子计算机必须能自我纠正，才能实现正常运行。

量子计算机短期内不会取代个人电脑或智能手机。第一批用户将是政府部门和大企业，而非普通大众。

量子计算机的运算以量子位为基础。量子位不同于标准的计算机二进制位，其值可以是0或1，也可以是0和1的叠加。这一特性意味着，在某些计算任务上，量子计算机可能比传统计算机快得多，能解决传统计算机无法解决的一些问题。

巴黎综合理工学院教授Landry Bretheau解释道：“量子计算机可在大规模叠加状态下操纵许多量子位，例如 0000 加 1111。在这种‘纠缠’状态下，可以并行进行多个计算。举个具体的例子——计算走出迷宫的路径问题。你会怎么做呢？人类或计算机程序会一一尝试不同的可能路径。每次到达死胡同就原路返回。如此这般反复尝试，去测试所有可能的路径，直到走出迷宫。由于量子系统可以处于叠加状态，即它可以同时处于迷宫的多个位置，因此它可以尝试并行探索所有不同的路径，以更快地逃离迷宫。”

量子位构建的平台和材料有多种选择：可以在超导计算机中构建量子位，也可以有基本粒子量子位，或捕获离子量子位。光子量子处理器也是一种可能，但此类技术目前还在开发中。法国量子技术企业Pasqal首席技术执行官Loc Henriet 解释道：“虽然我们常说量子计算机，但更准确的称呼应该是量子处理器，因为整个计算不能全部在量子计算机上实现，它只能完成其中的一小部分，还必须用传统处理器来协调计算的所有步骤。”

目前，量子处理器仍处于实验阶段。首先，它占用空间太大。Henriet团队正在研制的量子处理器尺寸为3米×2米×2米。另外，它需要10mbar的极高真空才能将量子位放置在准确的位置，相当于月球表面的气压。

控制量子位所需的光学器件包括激光器、透镜和镜子，这些设备都很复杂。为了协调不同设备组成的硬件协同操作，需要机载软件，也就是量子处理器的操作系统。

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量子计算潜在应用领域

在许多方面，无论是在计算时间还是计算结果精度，量子计算机都比传统计算机优越。一个十分典型的例子是用量子计算机运行Shor算法，该算法能将大数字有效地分解为质因子，在密码学和计算机安全领域很有用。量子计算机还擅长利用特殊算法来解决复杂的优化问题，例如与调度、路线和物流相关的问题，从大量可能性中找到最佳解决方案。在多个城市之间寻找最短路线的“旅行推销员”问题，量子计算机能迎刃而解，未来的物流配送企业必定有意愿使用。

量子计算机也能解决与分子化学反应性相关的问题。Henriet 解释道：“分子化学领域正在进行大量的研究。借助量子处理器，能更有效计算分析蛋白质的反应性，促进制药工业发展和新药物合成。新材料的特性同样可用量子计算机分析，加快它们在各种技术领域的应用。”

机器学习和人工智能是量子计算机的又一重要应用领域。量子计算机有望通过提供更快、更有效的优化例程或开拓新模型架构，改进机器学习算法甚至实现技术突破，开辟巨大新市场。当然，这一切前提是量子计算机实现量产，相应的算法和应用程序顺利开发，以充分发挥量子计算的独特优势。

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“通用性”的实现

量子计算机的实际应用，还有赖于“通用性”的实现——现有硬件不成熟导致计算无法完成、发生错误的情况，计算机必须能自我纠正。导致错误的主要原因是量子位本身的退相干破坏了量子位的量子特性，并使其返回到经典位的状态。退相干是量子位与其环境的相互作用引起的，避免方式是有效隔离系统，但这是个技术难关。量子位通常必须在接近绝对0度的温度下运行，才能保证相互隔离并与环境隔离。不过，“容错量子计算”也可以使用量子纠错（QEC）技术来实现：使用大量量子位来创建“逻辑量子位”，减少错误。

据专家介绍，真正的“量子优势”或者“量子超能”只有在运行一百万个量子位的量子计算机里才能实现，但目前的最高记录还不到100个量子位，所以未来研发还有很长的路要走。

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未来主要挑战

虽然大规模量子计算机的研发不存在理论障碍，但在技术上有亟需攻克的重大挑战。Henriet 解释道：“高科技企业已将量子计算视为一项战略投资，不想错失良机。量子处理器必将成为未来IT解决方案中不可或缺的部分，唯一的问题只是多久以后。”

量子技术革命即将掀起，法国学术资源丰富、企业发达、创业界活跃，必能把握住浪潮，走在前列。当然，最终的成效也取决于终端客户和企业的反响和接受度。

“过去五年间，量子计算热度显著增加。”

不过，量子计算机短期内不会取代个人电脑或智能手机，第一批用户将是政府部门和大型企业，而不是公众。Bretheau教授补充道：“科研界本身也是第一批用户。化学、材料科学、生物学、物理学等学科都跃跃欲试，期待着用量子计算算法解决各自的难题。过去五年间，量子计算热度显著增加。由于涌现了一大批初创企业和大型募资项目，有人将现阶段称为‘量子技术昌盛期’。”

美国的两家量子企业PsiQuantum和IonQ就分别筹集了高达6亿欧元和4亿欧元的投资。“2021年，马克龙总统宣布启动法国量子技术国家战略。从资本角度来看，目前法国最顺风顺水的初创企业是Pasqal，不久前筹集了1亿欧元的资金。”

尽管未来十年内还无法构建一台可运行、可容错的量子计算机，但研发的过程肯定会带来意想不到的发现，具有广泛的潜在用途，甚至改变社会的面貌，就像近五十年来的经典计算机和互联网。

Bretheau教授表示：“如今，量子计算行业蓬勃发展，令人激动的新发现层出不穷，在这一领域工作，现在的时机再好不过。”

作者

Isabelle Dumé

编辑

Meister Xia