量子计算的魔力在哪，未来如何发展？英特尔中国研究院院长这么看

量子计算是当前计算领域最为热门的话题之一。作为面向未来的计算模式，它凭借广阔的应用前景而备受瞩目。随着众多业界巨头纷纷进入到这一领域，量子计算已经俨然成为未来科技的最大热门之一。

毫无疑问，对于量子计算研究的前景令人欢欣鼓舞，但我们也应看到，量子计算当前依然处于萌芽阶段。要想实现一个真正可以商用的量子计算系统，我们还有很长的一段路要走。那么，量子计算究竟具备哪些魔力，而聚焦了如此多的关注？作为当前量子计算领域的重要参与者，英特尔又是如何看待其未来发展趋势的呢？

量子计算：突破传统计算的“禁区”

在讨论量子计算之前，我们不妨先回顾一下传统计算。在“现代计算机之父”艾伦·图灵于1936年发表的论文中，提及了一种自动机器，可以读写纸条上的符号，并根据当前状态进行删除、打印或者空操作，然后机器移动到纸条的下一个方格，根据新的输入和状态进行新的操作。

这个机器原理看似简单，功能上却令人不可思议。如今，整个计算机的发展，依然在遵循这一基本原理。我们当下所使用的台式机、笔记本电脑、智能手机、服务器，乃至时下炙手可热的人工智能技术，依然在遵循图灵机的原理。所有的数字计算机都有共同之处，它们都执行简单的算术运算，这得益于其每秒数十亿次的运算速度，使得机器能够运行非常复杂的应用程序。

然而，尽管传统计算机擅长很多任务，但却在面对一些特定领域的计算时面临巨大挑战。这些计算领域包括RSA解密算法、量子系统模拟、分子模拟等。尽管在过去几十年里，业界围绕这些领域进行了大量的研究和投资，但进展依然缓慢。那么，是否有可能采用一种在原理上与传统计算机截然不同的方式，去重新设计计算机系统呢？

这个时候，量子计算的重要性便开始凸显。对于并行计算与生俱来的支持，令量子计算机能以更快的速度执行特定任务。

量子计算：并行计算的终极目标

作为一种全新的计算模式，量子计算充分利用部分基础物理、叠加与纠缠原理。与传统计算不同，它采用了一种极端并行的方式来解决问题。

与基于晶体管并需要将数据编码成二进制数字（位）的传统计算机的不同之处在于，量子计算机利用量子位进行计算。这些量子位能够同时以多种状态存在，让并行进行大量计算成为可能，从而加快解析的时间。以硬币来打比方，传统晶体管可以表示正面或反面，但是不能同时表示正反面。而量子计算则可以同时表示正面和反面；这被称作两种状态的叠加。当许多量子位相互结合，或“相互纠缠”时，它们会作为一个实体来运行，即所谓的“超级状态”，赋予量子计算极为强大的并行计算能力。但与此同时，这种状态带来的另一个结果是量子位间的互相关联，如此一来量子位不会再独立运作，也客观上增加了控制难度。

量子计算拥有增强未来高性能计算机功能的巨大潜力，有望解决当今最好的超级计算机也可能需要花数月甚至数年时间才能解决的问题，例如药物开发、材料科学、天气预报、密码分析、石油勘探、金融建模等领域。展望未来，我们有望利用量子计算机模拟自然，以推进化学、材料科学和分子建模的研究，甚至它还有助于协助创造一种新的催化剂来隔离二氧化碳、开发室温超导体或发现新药。

但需要强调的是，尽管量子计算机有望通过更高的效率和性能来解决一些问题，但是它们并不会完全取代传统计算或神经形态计算等其它新兴技术。在英特尔构想的未来，传统计算从专为特定负载而设计的各种互补技术中得到增强。未来，科学家可以通过云访问量子系统，将其作为加速器与服务器和其它传统计算系统共同运转。别忘了，设计、建模、构建并运行这些系统，依然需要规模庞大的计算能力。未来，我们需要摩尔定律带来的技术进步，才能发明并开拓这些新兴科技。 

“两条腿”走路，探索量子计算

虽然量子计算系统方才起步，但相较于传统计算，它的起点无疑要高得多。然而，要想实现一个真正可商用的量子计算系统，还面临巨大的挑战。尽管当下有大量有关量子系统和功能的炒作和理论文章，但在我看来，量子计算的真正实现必须更加关注实际应用，以及量子与传统计算组件的必要集成。目前，量子计算还处于马拉松的第一程，我们还有很长的路要走。英特尔预计，需要大约5-7年的时间，行业才能开始解决工程规模的问题。除非我们拥有100万或更多的纠缠量子位，否则量子计算难言拥有真正的商业活力。

目前，业界关于量子计算的研究有两大方向：

1、“超导量子位”：目标是增加正常工作的量子位数量需求，这是当前业界众多机构和厂商普遍追求的方案。

以英特尔为例，我们与学术界合作伙伴QuTech去年10月成功测试了17量子位超导计算芯片，并在今年宣布成功设计、制造并向合作伙伴交付了首个49量子位超导量子测试芯片——“Tangle Lake”。然而，每增加一个量子位都会使系统的复杂性翻一番。

未来，如何构建能够保证精准输出的、可行的、且大规模的量子系统，依然面临很多挑战。其中，如何使量子位（量子计算的构建块）统一和稳定便是一个重要课题。量子位极为脆弱，任何噪声、甚至无意的观测都会导致数据丢失。这种脆弱性要求它们必须在20毫开尔文的温度下运行——比外太空还要冷250倍。这种极端的操作环境使量子位封装成为决定性能和功能的关键。

2、“自旋量子位”：它与我们现在已知的半导体电子和晶体管高度相似。

具体来说，它充分利用芯片设备上的一个电子自旋并用微小的微波脉冲来控制运动，从而释放其量子能量。电子可以向不同的方向自旋。当电子向上自旋时，数据表示二进位数值1。当电子向下自旋时，数据表示二进位数值为0。

但是，类似于超导量子位的运作方式，这些电子也存在“叠加”，也就是说，它们有可能同时向上、向下自旋，在这一过程中，理论上它们可以并行处理巨大的数据集，并且比传统计算机要快得多。如前所述，在量子计算实现商用之前，研究人员必须克服的一大挑战便是量子位脆弱的本质。而由于在硅片上运行，自旋量子位可以克服因量子位脆弱而导致的量子计算从研究到实用的障碍。目前，英特尔在300毫米制程技术上发明的自旋量子位制造流程，采用了专门用于生产自旋量子位测试芯片的同位素纯晶圆，并能和英特尔先进的晶体管技术一样，在同一个设施中制造。

目前，我们还无法预知量子处理器（或量子位）最终会采用哪种形式。但毋庸置疑的是，优秀的科学、先进的工程以及传统计算技术的持续发展，将是量子计算实现商业化目标的通关密码。