量子计算研究进展：中美两国有4~5年的技术差距

量子计算离我们到底还有多远？实现大规模的商用还需要多长时间？当前的技术状态处在什么时代？

今日，在CCF  YOCSEF总部AC委员、总部侯任学术秘书、北京交通大学陶耀东，CCF YOCSEF 总部AC委员、北京交通大学计算机与信息技术学院王伟主持下，CCF YOCSEF（中国计算机学会青年计算机科技论坛）举办了“量子计算机离我们还有多远？”线上论坛，针对此主题，来自合肥本源量子计算科技有限责任公司的张辉博士做了“量子计算机的发展概况与应用前景”的报告。来自腾讯量子实验室郑亚锐博士做了“实现量子计算，我们还需要做些什么？”的报告，清华大学终身副教授Kihwan Kim（金奇奂）做了“Quantum Computation with Trapped Ions”的报告。

另外，中山大学数据科学与计算机学院李绿周教授，国防科技大学强晓刚博士作为特邀嘉宾也进行了发言。天津理工大学教授罗训、人民邮电出版社高级策划编辑贺瑞君担任线上主席。

由于文章篇幅限制，AI科技评论对报告“量子计算机的发展概况与应用前景”进行整理，另外两个报告的整理，请持续关注AI科技评论~

张辉：中国科学技术大学博士。2003年毕业于中国科学技术大学，获得理学学士学位；2008年6月，获得中科院量子信息重点实验室博士学位，师承中国量子信息奠基人郭光灿院士，在校期间主要研究方向是低温半导体电子输运实验研究和双量子点中的量子信息理论研究。现任合肥本源量子计算科技有限责任公司副总裁，负责公司运营和企划工作。

在报告中，张辉提到，量子计算机和经典计算机并不是水火不相容的关系，中国与美国在量子计算方面至少有4~5年的差距，但是并不是“卡脖子”状态….

量子计算机基本概况

量子力学已经有100多年的历史了，目前量子信息的技术也已经非常多了，包括原子能、激光、超导、晶体管、半导体等等，很多的技术的应用都已经到了量子力学效应状态。

历史上量子革命有两次，第一次主要是宏观的量子行为，第二次主要是微观量子技术体系，我们目前的努力也是集中在微观体系。

两次革命都是在说明量子不是非常神秘的东西，它是一门非常严谨的科学。量子计算是基于量子力学和计算机的交叉学科，是一个全新的学科。

从19世纪80年代开始，欧美已经有科学家提出量子计算机的概念，经过几十年的发展已经有了一些算法，包括破解密码的算法，搜索的算法等等。这些理论构建起了整个量子计算的完备体系。

到了21世纪，研究重点是把理论研究带出实验室，最近也可以看到非常多的现象级新闻，这些都是标志。

不可否认，量子计算还处在早期发展的阶段，类比经典计算机，今天的量子计算机还处在经典计算机的电子管时代，就连最底层的物理载体还没有完全形成。

目前定义量子计算的5项指标，包括量子比特的编译方式、相干时间、操作、时间、输入/输出，未来的可扩展性等参数指标，都不是非常完美的物理体系。

量子计算也有非常多的体系，每一个体系都有它本身的优缺点，比如离子阱，优势是量子比特品质高，相干时间较长，量子比特制备和读出效率较高，缺点是储存少，消相干，可扩展性差，小型化难等等。

注：相干时间指在量子效应保证的时间里，对其进行操作的时间，这个时间当越长越好。

在光学体系里面，其优势包括相干时间长，操纵手段简单，扩展性好。缺点是两个量子比特之间的逻辑门操作难。

还有拓扑，它的优势包括，对环境干扰噪音、杂质有很大的抵抗能力，但它目前还停留在理论层面，无器件化实现。

在学术界和工业界，虽然多种方案研究都取得一定进展，但仍然没有实现技术路线收敛。目前进展最快、最好的技术是超导电路。

这有两个原因，第一个是人类很希望借助现在非常先进的技术促进发展，包括半导体集成、电路工艺和技术。

第二个原因是它的优势是可扩展性非常强，固态器件、电学方向能够使未来的量子计算与经典的计算机相兼容、融合。谷歌、IBM、英特尔这些公司都把精力放在了超导或者半导体方向。

对比一下，经典计算机是编译在一个宏观的体系上，主要用高电压和低电压来表示0和1。量子计算机未来是编译在原子或者是电子这种微观的体系上。比如用电子来编译0和1，用上下电子自旋状态来表示0和1。

计算机的发展中晶体管越做越小，已经把工艺推进到7nm、5nm，甚至有人说要做到3纳米。直接面临的最困难问题是晶体管的尺寸越做越小，中间的阻隔变得越来越薄，已经做到5纳米的时候，原子数只有几十个了。（3nm的话，会有十几个。）

在微观体系下，电子会发生量子的隧穿效应，不能很精准表示0和1，电子不能精确定义高低电压，会来回乱跑，这也就是通常说的摩尔定律碰到天花板的原因。

（编辑：南平站长网）

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