什么是量子计算机？

什么是量子计算机？

2022/05/18

量子计算机

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用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是量子计算机？

量子计算机是利用构成物质的原子和电子等“量子”的特性来处理信息的计算机。量子运动受“量子力学”支配，在量子世界中会发生一种被称为“量子叠加”的神秘现象。量子计算机是使用 0 和 1 的叠加执行并行计算的计算机。

量子计算机的当前位置

量子计算机目前的功率是多少

　性能比当前计算机高得多的量子计算机可能会在不久的将来渗透到社会中社会的期望只会增加。然而不幸的是，现阶段我们还没有达到社会期望的计算能力。

造成这种情况的主要原因有两个。

　第一个原因是我们还没有能够实现超出超级计算机能力的“量子比特”数量。

　IBM 于 2021 年 11 月宣布的超导量子计算机的集成密度为 127 个量子位。我们终于突破了 100 个量子位的障碍，这成为了一个大新闻。如果有 100 个没有错误的理想量子位，则可以进行 2 的 100 次方（大约 10 的 30 次方）并行处理。然而，在实际的量子计算机中，会出现错误，无法达到所需的计算能力。因此，有必要引入量子纠错技术来检测和纠正错误。据称，需要大约100万个物理量子位才能创建一台超越超级计算机能力并配备量子纠错功能的容错通用量子计算机。量子计算方法之一的超导量子计算机的密度每年都呈指数级增长。这种趋势被称为“摩尔定律的量子版本”。假设这一趋势顺利持续下去，拥有一百万个物理量子比特的量子计算机将在2035年左右成为现实。因此，许多人预计量子计算机将在10年左右的时间内在社会上实现。然而，实际上，由于下述技术问题，预计需要更长的时间。

第二个原因是密度预计将达到稳定水平。

　为了运行目前最先进的超导量子计算机，需要一种特殊的制冷机“稀释制冷机”，以实现接近绝对零（-273℃）的极低温环境。另一方面，构成超导量子计算机的超导量子位的尺寸为几平方毫米。如果一百万个量子比特在二维上集成，那么它的大小大约相当于一个会议室。如果是 1 亿个量子比特的话，大约有一个体育馆那么大。不幸的是，地球上没有巨大的稀释冰箱可以将如此巨大的芯片冷却到接近绝对零。更严重的是，一条金属电缆将安装在冰箱外部的控制设备与稀释冰箱内部的量子计算机芯片连接起来。当电缆数量随着集成度的提高而增加时，大量热量从室温环境流入，导致冰箱内部发热。这被称为“热流入问题”，被认为将成为未来超导量子计算机规模化的严重障碍。

　为了解决这些问题，世界各国政府都在投资，企业都在开发技术。不过，社会实施面临诸多挑战，如果目前的技术持续下去，超导量子计算机的集成度将在不久的将来达到平台期。我认为，要克服这个问题，我们需要间断性的创新，需要20年到30年的较长时间。

量子计算机不是万能的玩家

　关于量子计算机的另一个误解是“如果你使用量子计算机，你可以超快地解决任何问题。”事实上，只有大约 100 个数学问题在数学上保证量子计算机比经典计算机更快。而且，其中能够导致解决社会问题和商业问题的问题极为有限，例如量子化学计算、机器学习、量子模拟等。

　例如，即使使用量子计算机，也无法加快算术运算或 Excel 电子表格计算的速度。然而，尽管数量有限，但量子计算机预计将对广泛的工业领域产生颠覆性影响，包括药物发现、材料开发、人工智能和金融。其中，容错通用量子计算机已被证明可以加速投资组合优化、衍生品定价和风险计算等金融问题。为此，国内外证券公司和银行正在开展量子计算机应用于业务的基础研究。

　与其说“量子计算机最终会取代超级计算机”，不如说未来量子计算机将被用作加速解决超级计算机弱而量子计算机擅长的数学问题的手段。超级计算机和量子计算机应该和谐共存，成为支撑我们生活的实体。

实现量子计算机的挑战

首先，我们必须将其进化为具备量子纠错功能的形式。如前所述，当前的集成水平不允许量子纠错功能。因此，除了提高量子比特密度和质量的技术外，建立量子纠错技术也至关重要。

　此外，量子计算机系统的发展本身也面临着挑战。他解释说，就超导量子计算机而言，如果集成一百万个物理量子位，大约有一个会议室那么大。因此，有必要打造一台会议室大小的冰箱。另外，模块化现有小型冰箱并以量子力学方式连接它们的技术可能很有前途。此外，为了解决“热量流入问题”，还需要开发“低温CMOS集成电路”技术，将安装在冰箱外部的控制设备缩小到必要的功能，将其转换成芯片，然后安装在冰箱内部。

或者，也有研究人员认为我们应该放弃超导量子计算机，转而转向完全不同类型的量子计算机。例如，世界各地的公司和研究机构正在开展各种量子计算机的研发，包括光学、离子、中性原子、硅、金刚石和拓扑等。

　量子计算机的研发竞赛通常被比作马拉松。目前距离起点还有5公里左右，超导量子计算机遥遥领先。不过，距离到达目标还有很长的路要走，大约有37公里。超导量子计算机可能会一直保持领先地位直到终点线。或许，处于后组的光量子计算机和硅量子计算机会在后半段比赛中突然跃居榜首。哪种方法会首先达到目标，什么时候达到？目前还没人知道。

AIST的量子计算机研究和未来愿景

　在海外，量子计算机的研发正在加速，涉及各个领域的企业和大学。产业技术研究院作为内阁府认定的量子技术创新中心之一的“量子器件开发中心”，与众多大学、研究机构和企业合作开发超导量子计算机和硅量子计算机。此外，我们正在与NEC公司共同建立的NEC-AIST量子技术合作研究实验室开发一种专门用于组合优化问题的计算机，称为超导量子退火机。

　量子计算机被称为综合性技术百货店，要在社会上实施，需要汇集物理、化学、材料工程、电子工程、机械工程、信息工程、数学等各个领域的最佳技术来进行开发。我们相信量子计算机的研究和开发是利用AIST广泛的研究和开发潜力的机会。未来，我们希望发挥AIST的“综合实力”，将其打造成全球产学合作中心，负责量子计算机的社会化应用。