普通人中，懂量子物理學的屈指可數；在電腦界，量子計算機也是獨孤求敗般的存在，大家都知道它很牛，但怎么個牛法，卻很少有人知道。說難聽點，量子計算機現在還是樣子貨（原型機），還沒體現出商業(yè)化價值。

2019 年，法國蒙彼利埃大學的理論物理學家米切爾·達亞科諾夫（Michel Dyakonov），在電子與計算機工程的旗艦期刊 IEEE Spectrum 上發(fā)表文章認為，“我們?yōu)楹斡肋h也不可能造出實用的量子超級計算機”。俄克拉荷馬州立大學量子計算專家薩布哈什·卡克（ Subhash Kak）也認為，由于難以解決硬件隨機誤差，人類很難造出具有實用價值的量子計算機。

量子計算機界的老司機 IBM 顯然不信這個邪。在 CES2020 展會上，IBM 宣布已經和戴姆勒（Daimler）合作，利用其量子計算機資源研發(fā)新型鋰電池，以替代現有的鋰離子電池。

IBMQ

目前，IBM 的量子計算機 IBM Q 已經對三種不同的含鋰分子完成了建模，使研究人員可以更好地了解它們在電池中儲存電能和釋放電能的性能。目前，通過量子計算機的輔助，IBM 發(fā)現用于制造新型鋰電池的電極材料中，最有前途的是鋰硫。根據研究，用鋰硫做電極的電池將比今天的鋰離子電池能量密度更高、充放電壽命更長、制造和使用成本更低，其完美程度，就像硅之于集成電路。

傳統(tǒng)的超級計算機只可以對簡單分子進行這種模擬，但需要大量的計算能力和時間，而且隨著被模擬的分子越來越復雜，發(fā)生錯誤的可能性也會越來越大。

那么，量子計算機憑什么比傳統(tǒng)超級計算機更高效呢？

傳統(tǒng)電腦（包括傳統(tǒng)超級計算機）最小的信息單位是比特（Bit），1 位比特要么表示0，要么表示1。要表示更多的信息，就必須用到更多的比特位。但對于量子計算機來說，由于疊加態(tài)的存在，1 個量子比特可以同時取 0 和 1 兩個值。于是，在傳統(tǒng)電腦的二進制運算中，量子比特的取值多達 4 種。也就是說，如果要遍歷 0 和 1 這兩個比特的所有值，在傳統(tǒng)電腦中需要進行 4 次運算（00、01、10、11），但在量子計算機這里僅僅需要 1 次。

Google 的量子計算機，其 Sycamore 處理器擁有 54 量子比特。大圓柱體是用于使計算機保持極冷狀態(tài)，保證外界能量不會干擾超靈敏量子比特。

正是由于量子疊加態(tài)的特性，使得量子計算機對指數級別的并行計算有巨大的速度優(yōu)勢，在解決特定問題時優(yōu)勢突出。前面說的 IBM Q 對含鋰分子的化學性質研究就屬于并行運算的商業(yè)化應用。不過，要等到鋰硫電池走入千家萬戶，還需要一段時間，至少 2020 年不可能了。在量子計算機的商業(yè)化應用上，IBM 一直走在前列。

圖為 Google 量子計算控制線，這種材料非常昂貴，每段的成本約為1,000 美元。

2016 年，IBM 啟動“量子體驗”項目，僅到 2018 年末，就有大約 10 萬人體驗了量子計算的魅力。美國能源部下屬的多家實驗室已經成為 IBM 量子計算的客戶。這次和戴姆勒合作研究新型鋰電池，不過是 IBM 量子計算機商業(yè)應用的眾多客戶之一。

Sycamore 量子計算芯片。左側是與外界通信的控制器接口；右邊是計算芯片。

美國目前在量子計算機研究和商業(yè)應用處于領先地位，中國則處于追趕狀態(tài)。目前，我國最先進的量子計算機有 20 個量子比特，而 IBM Q 擁有 53 個量子比特，谷歌 Sycamore 量子計算機有 54 個量子比特。在信息時代，量子計算技術一旦突破，掌握這種能力的國家，會在經濟、軍事、科研、安全等領域迅速建立全方位優(yōu)勢。

據《第一財經》報道，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院副研究員張文卓介紹，量子計算機的研制目標分為三個階段：

第一個階段是“量子霸權”階段，目前美國在“量子霸權”的爭奪中暫時領先，我國預計在 2020 年左右實現“量子霸權”的科學目標，縮小與美國的差距；

第二個階段是實用化量子模擬機階段，實現數百個量子比特相干操縱的專用型量子計算系統(tǒng)，應用于具有實用價值的組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等方面，指導新材料設計、藥物開發(fā)等；

第三個階段是通用可編程的量子計算機階段，能夠相干操縱數億量子比特，實現可容錯的量子計算機，能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。

Google 量子計算編程。圖中屏幕顯示了發(fā)送到 Google 量子計算機的實際數據處理指令。

目前，我國在量子計算研究上加大投入，其中量子信息科學國家實驗室耗資 100 億美元，計劃于 2020 年開放。