量子计算在理论上可行，但在实际操作上难度大。国外一直在加紧研究，抢占先机很重要。
量子前哨重磅推出独家专题《量子科学家100人》，我们将遍访全球量子计算相关领域100位优秀科学家，多角度、多维度、多层面讲述该领域的最前沿科学故事，为读者解析科学洞见：量子科技前沿的最新观察与行业评析。
硕士毕业后，张勇就报考了中国科学技术大学量子信息重点实验室攻读博士学位，师从我国量子信息领域研究的学术带头人郭光灿教授。暑期开学，张勇刚好赶上了2001年在安徽黄山举办的“量子信息国际研讨会”，这是第一次在中国举办的量子信息科学的国际研讨会。来自美国、英国、奥地利、法国、韩国以及我国的专家学者共一百五十余人参加了研讨会，会议现场交流了42篇量子计算相关领域的学术论文，这场会议也是全国量子信息研究的起点。自此，清华大学、中国科技大学、山西大学等院校开始组建一些从事量子计算相关研究的科研团队。后来，郭光灿教授申请了我国量子信息领域的第一个“973”项目，他把国内这个领域的主要队伍都团结起来，共有十几家参与单位、五十多位骨干研究人员，这也成为日后中国量子信息领域科研力量的核心班底。张勇告诉量子前哨，前几天再次看到这次会议的合影，发现那次参会人员几乎集中了后来国内量子信息领域最重要的核心力量。在参会专家中已经出了郭光灿、潘建伟和杜江峰三位量子信息领域的院士，还有很多名国家杰青、长江学者等高端人才。经过20年的科研突围，中国的量子计算与量子通信研究在世界上占有重要的地位，与投身科研的众多优秀科学家们密不可分。张勇认为，当国家的经济发展繁盛起来，科研经费投入也有了大的增幅，在国家的大力支持下，投身于量子计算领域的研究人员越来越多。除了科研队伍壮大外，科研前辈的奉献精神也很重要。给张勇留下最深刻印象的是导师郭光灿院士。2001年时已经60岁的郭光灿教授周末还经常在实验室里看文献、讨论问题，每周40人左右的组会，他每次都会参加，还会提一些很尖锐的问题。每天除了开会就是泡实验室，张勇说道：“成功人士有什么秘诀？他一定很拼很勤奋很努力。”
现在，年届80的郭光灿院士仍然参与实验室的研讨，通过他的科学判断，带领团队找到研发重点，帮助实验室攻关克难。另外，郭院士非常乐于参加量子信息与量子计算的宣传和科普，为普及量子信息、量子计算知识和推动国内量子信息领域的发展而奔走、呼吁。正是因为前辈科学家们孜孜不倦的努力，才会有享誉全球的卓越科研成果，也引起国内社会以及国家高层领导人对量子信息产业的广泛关注。张勇强调，不论是研究队伍的规模，还是科研氛围和科研水平，目前中国都可以说处于世界前列。量子信息领域发展的大好局面，我们首先应该向老一辈科学家们致敬。 当前，随着量子计算机研发技术的不断突破，已经超出我们从经典计算机发展获得的认知，比如拓扑量子计算，CIM相干量子计算等。张勇认为，“这也是发展过程中的收获。不要求所有的计算模式都一样，可以有各自的优势并同步发展，这可能是一种发展趋势，但仍然需要很长的时间来验证。”例如，最近CIM相干量子计算研发路线在量子比特数规模上领先了超导、离子阱等其它路线，率先突破了十万量子比特。张勇认为这一实验验证了光量子提供了量子计算的一个非常可靠且快速的研究方向。张勇说道：“为什么用光做得比较好？因为我们对光的研究时间比较长，有比较成熟的技术，操控起来比较容易，而且光引起的相互作用小，引出噪声小，退相干作用弱比较稳定，研究方便。但是它也有一个问题是光量子计算的可集成性差。在光量子实验中，我们可以直观的看到实验台上各种棱镜、波片等器件，这些器件都需要一定的尺寸，所以可扩展性要差一些，难以集成，这与经典计算机高度集成的模式不太一致。”张勇认为，十几年前，大家都在探索不涉及物理系统的量子计算理论，而现阶段，也称作中等规模的含噪声量子计算时代（NISQ），大家追求的目标是越来越大的量子比特规模。由于可纠错的量子计算机至少要达到数千量子比特，而现有的量子比特只有数百，所以现在并不追求屏蔽所有的噪声，能接受其中有一些错误，也可以实现一些简单任务。现阶段的任务就是研发出这类小型计算机，能够借助数百量子比特处理一些任务，当然在性能上是越稳定越好。未来随着量子比特数的增加，错误率也会越来越低。根据经典计算机的成功模式，未来量子计算机的集成度一定会越来越小，功能也会越来越强大。第一代量子计算机可能会比较大，未来再慢慢缩小，这是一种研究趋势。以目前几种量子计算的实现体系来说，各有优势和劣势。以超导量子计算路线来看，虽然我们的微操控技术越来越强，但是在超低温环境条件下的微观体系，量子效应很显著，表现极其不稳定，这就比较难实现长时间的稳定操控。而离子阱路线的优势是操控性强，通过激光制冷的方法把一串原子/离子囚禁在一个腔室内，劣势是难扩展，想要实现数百个规模就很难。张勇说道：“超导量子计算可以集成到芯片上，实现类似于现在电脑一样的量子计算机，而用体积庞大的离子阱设备来实现量子计算，人们还很难想象离子阱计算机应该是什么样子。”张勇提到，目前国际上更重视抢占量子比特数的优势，没办法兼顾通用性能。比如，最近IBM发布的127量子比特芯片等，只是在宣称单一方面的先进性，比如玻色采样/随机量子线路抽样等单一任务,类似于加拿大D-Wave公司，也是只能运行量子退火算法来完成单一任务。所以，对于量子计算机的所谓“量子霸权”，只是意味着在某一方面取得了优势，不同计算模式和系统之间进行比较意义并不大，也并不意味着量子计算机的研发就领先多少。经典超算的发展历史比较长，现在已经有了固定的模式，大家可以公平比较和竞争。而量子计算的研发路线和讨论的问题都不一样，在很多维度上很难比较。和整个量子科技的应用情况类似，目前可以看到量子计算的应用前景，但大部分还无法落地。张勇认为，一方面也是因为经典计算机技术已经很成熟了，许多任务都可以用经典计算机完成，经典计算完成不了的，目前的量子计算同样不能完成。另一方面也是量子计算在理论上可行，但在实际操作上难度大。这既是挑战也是机遇，但是如果你不去尝试，肯定永远都实现不了。尤其大家都能看到量子计算的应用潜力，国外一直在加紧研究，因此抢占先机很重要。张勇解释道，量子精密测量在民用、商用、军事上都有很大的应用前景，广泛应用应该为时不远。而量子通讯技术相对比较成熟，尤其在中国已经实现了工程化，比如墨子号、京沪新干线等，这些都是全球领先的，美国欧洲等国都没有做到这么大规模的工程化。那么量子计算的真实应用场景是什么？针对这一话题还存在很大的争议与挑战。张勇举例道，比如金融行业的量子计算等都还在实验阶段，并未到大规模民用服务阶段；而在生物制药领域，目前也只是模拟、实验，量子计算真正有效的服务于药物研发才是真正的落地，还需很长一段时间。第一，技术难度很大。量子系统易受扰动，对环境条件要求高，比如超导量子计算机，它要求接近绝对零度的超低温环境。这样的超低温可以维持在小体积内，但如果想让大型设备都处于超低温，制冷成本就太高。而长时间稳定操控量子比特实现数量繁多的高保真度量子逻辑门，则难度更大。因此，量子计算要想实用化、通用化，现在很难实现，这就是技术难度。第二，落地难，研发进程长。当前经典计算机的应用范围广，很多方面还没有遇到瓶颈，量子计算的应用没有那么急迫。无论是军事还是商业应用，都还在抢先发优势，并没有到非用不可的地步。以对研发推动力最强的军事应用为例，张勇说道，美国军方现在不会直接采购量子密码和量子计算机等量子技术产品，因为它的脆弱性和设备难以小型化不具便携性。2021年12月，美国国防高级研究计划局发布了一份5800万美元的量子启发经典计算(QULCC)项目招标，购买量子启发求解系统为军事任务解决现实问题，在限定体积、功耗等条件下提高计算效率至少50倍。显然，在硬件设备还不完善的条件下，美国军方也更青睐利用量子算法求解军事任务等现实问题。当下，最核心最重要的任务还是做出产品。在量子计算硬件设备还不能广泛部署的时候，上云也是更为实际的一种方法。张勇说道，“事实上云计算发展得很快，在大众还拿不到量子计算机的实物时，可以让大众接受量子云计算。比如IBM就提供了Quantum Experience量子系统和模拟器的全权限云访问，目前用户已经超过20万，已在IBM的量子系统和模拟器上运行了数千亿次运算。”另外，国内的本源量子等公司都提供了量子计算云平台，量子云是量子计算在目前阶段能为人们展示量子计算的最有效途径。现在的玩家以谷歌、IBM、微软等大公司和初创公司为主，因为大公司提前预见这一风口，所以在享受经典计算带来利润的同时，又利用手里掌握的雄厚资本开始提前布局，一旦占领市场他们就可以获得超额利润。而初创公司几乎都是由业内从事量子计算相关研究的高科技人才创业成立。张勇强调，“我们一直说知识要产业化，但在转化的时候，只有这些专业从事量子技术又具有一定经济头脑的科技人才，拿到融资后利用自己的知识积累和科学预判做一些初代产品，开始的时候可能稍微慢一点，但未来可期。”中国市场很大，潜在客户很多。在国内，政府是量子计算产业的最大“投资商”，不仅会投资中小初创企业，还会投资各大高校团队，至少在研发投入上，国家是作为“整个大公司”去倾力投注。在这一点上国外的大公司处于劣势，因为一旦投入过多，研发陷入瓶颈，就会考虑要不要降低投入、要不要“撤”。张勇认为，从目前整个商业化发展来看，实力雄厚的大公司会领先，但初创公司应该会在“某一点”上爆发。张勇解释道：“比如玻色量子公司，创始人文凯博士期间就是从事CIM方向研究，公司研发路线基本都是他原创性的东西，所以他可以做得很好。大公司习惯于广撒网广布局，而初创公司可以在某一专门领域做得更好。”最后，张勇总结道，量子计算不是适合短期投资的行业，虽然中美政府都在投入大量的资金用于研发，但是美国的风险在于政策不稳定，政府有时会突然缩减资金，而我们的十三五、十四五规划，一旦规划好的优先发展项目，会有多年连续不断的稳定投入，这就是我们中国的体制优势，再加上我们中国人的勤奋、努力和智慧，在量子计算领域中国的未来发展一定会越来越好。
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