5.21???????

知識(shí)分子

The Intellectual

粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心S實(shí)驗(yàn)室和季軸科技（Z-Axis Quantum）聯(lián)合研發(fā)的“荷花-II”fluxonium量子芯片

撰文 | 施堯耘

“量子計(jì)算何時(shí)才能實(shí)現(xiàn)？”這個(gè)被反復(fù)追問數(shù)十年的問題，不僅是對(duì)整個(gè)行業(yè)的持續(xù)鞭策，更是一個(gè)永恒的挑戰(zhàn)。答案眾說紛紜：有人聲稱早已實(shí)現(xiàn)，有人則警示仍遙不可及。

二十年前，D-Wave公司高調(diào)斷言，實(shí)用量子計(jì)算觸手可及。隨即而來的是學(xué)界激烈的批評(píng)，至今余波未平。

2025年初，英偉達(dá)CEO黃仁勛打趣說，十五年太早，三十年太晚，也許二十年正合適。話音甫落，美國(guó)三家量子計(jì)算上市公司市值幾近腰斬。

2018年，加州理工學(xué)院教授約翰·普雷斯基爾提出“NISQ”（噪聲中等規(guī)模量子）器件的概念，引發(fā)業(yè)界對(duì)其實(shí)用性的探索熱潮。這類器件具備數(shù)十至上百個(gè)量子比特，雖已超出現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算的模擬能力，卻依然脆弱、難以糾錯(cuò)，每一步操作都伴隨著信息損耗。若試圖將其用于實(shí)際計(jì)算，在必須的海量步驟后，殘存的有效信息必然湮沒于噪聲之中。所以其實(shí)用性在我看來屬異想天開。即便如此，學(xué)界仍持續(xù)發(fā)表大量論文，力圖破局。

2023年底，普雷斯基爾在“量子到商業(yè)”（Q2B）大會(huì)上坦承NISQ未達(dá)預(yù)期。隨之而來的，是某些大公司團(tuán)隊(duì)解散、初創(chuàng)企業(yè)倒閉，量子計(jì)算仿佛落入“寒冬”。

然而此時(shí)，我卻看到了NISQ實(shí)用的希望——如果我們能挑戰(zhàn)預(yù)設(shè)。

首先，要突破如下預(yù)設(shè)：實(shí)用的量子計(jì)算將由純粹的量子計(jì)算機(jī)獨(dú)立完成。當(dāng)前的量子芯片連實(shí)際問題的輸入都無法容納，更遑論求解。而歷史一再證明，人類最善于把已有的工具發(fā)揮到淋漓盡致。讓當(dāng)前的量子芯片和強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)緊密協(xié)同，融合成更強(qiáng)大的實(shí)用系統(tǒng)，這不僅實(shí)際可行，也很可能是量子計(jì)算邁向?qū)嵱玫闹饕螒B(tài)。

其次，實(shí)用性不應(yīng)僅以“量子加速”來衡量。我認(rèn)為，除加速外，量子計(jì)算的意義也在于“不同”——提供一種遠(yuǎn)在經(jīng)典范式之外的解決方案。百級(jí)別量子比特的器件，即便堆積世界上所有的GPU也無法有效模擬。含有如此量子芯片的混合計(jì)算是純粹經(jīng)典算力無法企及的，從而為發(fā)現(xiàn)價(jià)值提供了新的可能。這樣的“不同”有別于“加速”，是因?yàn)榻?jīng)典算力可以通過完全不同的想法趕超暫時(shí)領(lǐng)先的量子算法，而兩者的競(jìng)爭(zhēng)永遠(yuǎn)沒有確定的勝者。因此我稱量子-經(jīng)典深度融合的計(jì)算為“量子躍遷計(jì)算”；用“躍遷”而非“加速”，正是為了突出“不同”的價(jià)值。

我甚至認(rèn)為，相比于材料、化學(xué)模擬等有理論量子加速的領(lǐng)域，量子躍遷計(jì)算在物流、調(diào)度、優(yōu)化、路徑設(shè)計(jì)等難題上，或許會(huì)帶來更大的價(jià)值。這些問題在現(xiàn)實(shí)中無處不在，同時(shí)也如此之難---包括所謂“NP難”問題---以至于即使量子計(jì)算也無法快速求解。在嘗試中驗(yàn)證和提升的啟發(fā)式算法是唯一的解決路徑。此時(shí)量子躍遷計(jì)算的“不同”，有廣泛而高價(jià)值的用武之地。

我們看到，近年來系統(tǒng)、軟件、融合算法和應(yīng)用等量子計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究在迅速升溫。比如計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)頂級(jí)會(huì)議ISCA中量子論文的比例4年內(nèi)就增加了2倍。與此同時(shí)，產(chǎn)業(yè)界也如火如荼。英偉達(dá)與以色列初創(chuàng)公司Quantum Machines（QM）聯(lián)合推出DGX Quantum，將GPU超算平臺(tái)與量子控制模塊整合；與紐約初創(chuàng)公司SEEQC聯(lián)合實(shí)現(xiàn)量子芯片與GPU的直接高速互聯(lián)；高級(jí)編程語言CUDA-Q將量子程序無縫嵌入如AWS Quantum Service的云端服務(wù)中。這些產(chǎn)品助力技術(shù)棧兩端的玩家：量智融合應(yīng)用開發(fā)者和量子硬件的提供商；幫助他們專注于自身領(lǐng)域，并在協(xié)作中互利共贏，從而實(shí)現(xiàn)從應(yīng)用到硬件的價(jià)值閉環(huán)，激活量子算力產(chǎn)業(yè)。

英偉達(dá)量智融合系統(tǒng)DGX Quantum架構(gòu)圖

圖源：https://www.quantum-machines.co/wp-content/uploads/2023/07/NVIDIA-QM-DGX_digital.pdf

這個(gè)產(chǎn)業(yè)形成的一個(gè)標(biāo)志性事件是英偉達(dá)在2025年3月首次舉辦的“量子日”。黃仁勛量智融合的大旗一揮，匯集幾乎所有量子硬件明星初創(chuàng)公司的一號(hào)位以及微軟和AWS兩個(gè)潛在云計(jì)算合作伙伴的量子計(jì)算負(fù)責(zé)人。另一個(gè)側(cè)面證據(jù)是QM這個(gè)聚焦控制系統(tǒng)的初創(chuàng)企業(yè)累計(jì)竟已獲得2.6億美元的巨額融資。這說明資本市場(chǎng)認(rèn)同量智融合算力中心的圖景和QM可在其中規(guī)?；渴鸬墓适隆?/p>

公共領(lǐng)域的投資同樣惹人注目：一股國(guó)家超算量子升級(jí)的熱潮正在席卷歐美亞等致力科技的國(guó)家，包括美、英、德、西、日等國(guó)。

那么，核心問題是：量子躍遷計(jì)算何時(shí)能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用？未來并不遙遠(yuǎn)。

這里我要再次挑戰(zhàn)預(yù)設(shè)——量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)不會(huì)發(fā)生在一夜之間，而會(huì)是一個(gè)浩浩蕩蕩的、不可抵擋的、量變至質(zhì)變的演化過程——從最初的炒作和批判，到各自有理有據(jù)的爭(zhēng)議，再到廣為接受的共識(shí)。

我認(rèn)為這個(gè)過程已經(jīng)進(jìn)入第二階段：在科學(xué)論文和財(cái)報(bào)里發(fā)布的實(shí)用宣稱，雖非鐵證如山，已經(jīng)不容忽視。當(dāng)前我們無法確定量子計(jì)算已經(jīng)帶來實(shí)用價(jià)值；但可以確定的是，已經(jīng)有充足的理由加大探索的力度。

對(duì)任何有遠(yuǎn)見卓識(shí)之士，現(xiàn)在正是積極布局，搶占先機(jī)的時(shí)刻。管理者不僅要讓自己的企業(yè)“量子就緒”，而且要開始打磨未來量子競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。計(jì)算機(jī)科學(xué)家和工程師，要自信地在舞臺(tái)中心開拓量子計(jì)算技術(shù)?？萍颊咧贫ㄕ叱死^續(xù)支持量子硬件外，需積極投入計(jì)算方向的研發(fā)、人才培養(yǎng)和生態(tài)建設(shè)。一個(gè)急迫且高效的方向是刺激應(yīng)用，以應(yīng)用端的市場(chǎng)引導(dǎo)和帶動(dòng)下層的軟件、系統(tǒng)和量子硬件整個(gè)技術(shù)棧。

量子計(jì)算正處于一個(gè)深刻的轉(zhuǎn)變之中——從“量子”走向“計(jì)算”。能夠辨識(shí)這個(gè)轉(zhuǎn)變并且趁勢(shì)而為者，將占據(jù)駕馭量子算力的最佳位置：在量子和經(jīng)典的雙駕馬車上，不僅算得更快，而且算得不同。

作者簡(jiǎn)介：

本文作者施堯耘，于普林斯頓大學(xué)取得計(jì)算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位。曾任密歇根大學(xué)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授，阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始主任?，F(xiàn)為獨(dú)立研究者與創(chuàng)業(yè)者。