量子計算競爭格局將在2018年繼續升溫。從整體來看，如今量子計算的狀態看起來很像50年前的半導體芯片行業。

基于硅的集成電路(IC)在1968年進入了 “中規模”集成階段。晶體管計數在短短幾年內從一個芯片上的十個晶體管膨脹到一個芯片上的數百個晶體管。過了一段時間，數千個，然后是幾萬個，現在——50年之后——有數百億。

量子計算是量子物理學的一個實際應用，它利用單個亞原子粒子作為計算元素，將其冷卻到毫開爾文溫度。這些亞原子計算元素稱為“量子位”（量子比特）。量子位可以用CMOS技術制造，比如標準的IC。但是，在量子計算機極其寒冷的操作環境中，若要進行相互連接、控制和傳感器電路來操作和協調越來越多的量子位，需要發展新的科學和技術。

▲IBM 16-qubit處理器

量子計算目前正處于量子位只有兩位數的時代。2017年，我們看到了一個擁有20個通用物理量子位的芯片，而在2018年，我們估計會看到超過50個通用量子位的芯片。但第一個面向大眾市場的通用量子計算機至少需要由數千個邏輯量子位組成。邏輯量子位是容錯的，具有錯誤檢測和最終糾錯。成千上萬的邏輯量子位會轉化成至少十倍的物理量子位，這取決于物理的量子位體系結構，數量級可能會更高。

▲IBM的量子計算機I/O子系統，用于在一個毫開爾文液氦浴中獲取電信號

事實上，從數十到數百個物理量子位的進化可能需要一段時間;從數百到數千將需要更長的時間。專家們一致認為，一個具有數千個邏輯量子位的商業可部署量子計算機出現起碼需要10年的時間，甚至可能在20年以后。真正商業化的“量子霸權”在很長一段時間內都難以實現。不過與此同時，許多供應商正在取得令人矚目的進展。

以下，將為大家介紹目前為止量子計算的進展。以此為參考，我們能夠在未來一年里更清楚地認識到量子計算的進步。

在量子系統之下

IBM和Rigetti都引入了可用于公共和有限訪問的通用基于云的量子計算機(分別為20和19個量子位系統)，每個都有一個完整的軟件開發工具包(devkit)。NTT推出了基于云的量子點和基于光子學的架構，并使用了它的全棧devkit。微軟和谷歌推出了他們的通用量子計算研發項目，以及全棧的devkit和模擬器，但還沒有公開展示硬件。英特爾展示了其原型芯片，但還沒有展示出芯片實體。IonQ、Quantum Circuits和RIKEN正在投資硬件開發，但還沒有對外展示他們的工作。然而，只有兩家公司在為客戶銷售專用系統供本地使用，不過是否可以被稱為量子計算機還存在爭議:D-Wave的量子退火架構和Atos專用的量子模擬器。

D-Wave和NTT實現了2,048個物理量子位，不過它們使用完全不同的技術來實現，而且它們的系統沒有顯示出完全通用的量子計算能力。它們的架構適用于解決優化、分子動力學、甚至深度學習訓練和推理任務等問題。

▲D-Wave量子計算芯片

量子計算模擬

模擬數十個物理量子位需要大量的“傳統”計算能力，相當于當今最先進的基于IC的計算、內存、存儲和網絡架構。這些“模擬機器”的運行速度可能比它們模擬的量子計算機要慢得多，研究人員實際上可以建立像他們目前模擬的那樣大的真實系統。

上周，來自Julich超算中心、武漢大學和 荷蘭格羅寧根大學的一組研究人員成功地模擬了一個46量子位的通用量子計算機。這一模擬打破了美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室4月份創下的45量子位的記錄。今年7月，美國哈佛-麻省理工學院(Harvard-MIT Center for Ultracold atom)和加州理工學院(California Institute of Technology)的一個團隊模擬了51量子比特量子計算機，但它是為了解決一個特定的方程式，而不是通用模擬。去年11月，馬里蘭大學和美國國家標準與技術研究所(NIST)的一個團隊在53量子位模擬器上發表了一篇論文，旨在解決一個具體的問題。

與此同時，在云計算中，IBM在一個經典的超級計算機上模擬了一個56量子位的通用系統。微軟的新量子開發工具包支持在其Azure云上模擬“超過40個量子位”，其本地基于PC的模擬可以擴展到16 GB內存中的大約30個量子位。我不得不懷疑微軟Azure的量子計算模擬是否與它最近與Cray的合作關系有關。Rigetti的基于云的Forrest模擬器可以模擬多達36個量子位。谷歌的Quantum Playground 可以模擬多達22個量子位。

通用芯片

IBM在2017年末推出了它的20-qubit芯片，它是IBM Q Network 發布的基石。IBM表示已經在內部測試了一個50量子位芯片。IBM Q Network 的參與者可以訪問新的20量子位系統，并且隨著它的進展，他們將能夠盡早訪問50量子位芯片。英特爾在10月份向其合作伙伴QuTech交付了一個17量子位的測試芯片，并于2018年初在消費電子展(CES)上展示了一個49量子位芯片。Rigetti本周宣布它的19量子位芯片可用于云訪問(訪問需要得到Rigetti的批準)。Rigetti的芯片是一個20量子位架構，其中一個量子位有一個制造缺陷，它緊隨IBM之后。谷歌已經在內部測試了6個、9個和20個量子位芯片，并且正在開發一個49量子位芯片，該芯片將在2017年底前交付使用，但并沒有達到這個發布時間。

▲Rigetti 20量子位芯片(左)，谷歌6量子位芯片 (中)，英特爾49量子位芯片(右)

Atos說它的40量子位模擬器基于英特爾的Xeon處理器，但專用硬件加速器“即將問世”。這并不新奇，因為IBM正在內部使用其Power系統在開發過程中模擬量子計算機。

量子軟件開發

在軟件方面，開源是非常關鍵的，研究人員在過去的幾十年里一直在開源他們的內部量子計算開發環境。

今年，IBM開放了它的QASM (Quantum ASseMbler)，這是IBM QISKit(量子信息軟件包)的一個重要組成部分。XACC (EXtreme scale ACCelerator)接口到Rigetti的模擬器和原型芯片，以及D-Wave的生產系統。QuTiP (Python的量子工具箱)是一種開源的量子計算模擬器，在很多量子計算硬件社區中使用(對阿里巴巴、亞馬遜、谷歌、霍尼韋爾、IBM、英特爾、微軟、Northrup Grumman、Rigetti和RIKEN都在其網站上出現)。據推測，QuTiP正被用于模擬正在開發的硬件架構。谷歌與Rigetti合作開發了開源OpenFermion，這是一個用于編譯和分析量子化學問題的軟件包。而微軟則推出了Q# (Q-sharp)量子計算語言。相關的軟件還有很多，這里不再一一贅述。

關于中國

中國今年剛宣布成立了一個100億美元的國家量子信息科學實驗室，計劃于2020年完成建設。不過中國企業在量子計算商業化方面的突破性成果相對較少，阿里巴巴、百度和騰訊等都在人工智能和深度學習方面投入了大量資金，但很少聽到在量子計算方面有大量投入的，希望在今年能聽到更多他們關于量子計算的消息。

未來

實現量子計算商業化，我們還有很長的路要走。途中，可能某個企業/組織會有一些暫時的優勢，但隨著大量投資進入量子計算研發領域，任何一個競爭對手的短期量子優勢都會在沒有持續、長期的研發和商業化戰略的情況下轉瞬即逝。

如今的量子計算領域一片繁榮，在2018年，我們可能會看到50或更多量子位的通用系統。我們可能還會看到一些更專門化的系統，擁有超過2000個物理量子位，在解決某一范圍內的問題時突出量子計算的重大優勢。