量子计算的必要性与挑战

量子计算的必要性与挑战
 
说到量子计算，大部分人都觉得这一技术离我们还很远，至少离应用场景落地还有很长一段时间，还有少部分反对者觉得这和“永动机”没什么差别，所谓的量子霸权都是谎言。但实际上，在不少研究中，量子计算都已经得到利用。这些使用非传统芯片的量子计算系统，使用量子比特作为基本单位来进行运算，而不再是传统的二进制经典比特，其速度也将远超传统计算机。
 
其实对于全球各大HPC中心来说，量子计算已经早已在计划内了。去年11月IQM和Atos两家公司调研了110个全球HPC中心，得出的结论中指出：对于全球52%的HPC中心来说，保证竞争力是首要目标，而且27%的HPC中心有过量子计算的经验了，49%的HPC重心将在2023年首次采用量子计算技术，等于说到了2023年，76%的HPC中心都将用上量子计算技术。
 
为什么需要量子计算
 
照理说，目前量子计算能完成的一些任务，比如气候变化预测、汽车碰撞模拟、药物研发和加密等，这些也能在当下的超级计算机和其他HPC系统中完成，那我们为何还需要量子计算或量子计算机的存在呢？这就不得不提到当下这些高性能计算遇到的各大挑战了。
 
随着今年超算正式跨入Exascale级别，各大地区的HPC中心、国家实验室也都已经有了Exascale级别的计划，因为在他们看来，提高算力才是保持竞争力的唯一途径。但我们看看现在的超算系统，为了递增的性能提升，动辄数千块CPU、GPU，大面积的机房，可怕的功耗。这对于任何一个机构来说，不管有没有国家支持，都得付出巨大的设备和维护成本。我们总不能一边想着用超算解决气候问题，又在加剧能耗吧？
 
而且传统硬件的性能瓶颈并没有因为这几年的创新而消失，这不仅指的是算力，还有存储、带宽和时延等。尽管各种加速器、异构计算起到了一定的延缓作用，但随着大家开始追求Zettascale级别的算力，这些瓶颈的出现可以说是必然的结果。
 

IQM量子计算机 / IQM

 
所以在算力上，我们需要的不是这样递增的提升，而是指数级的增长。1位经典比特中，只能存放0或1，而1位量子比特却可以同时叠加0和1的状态，而位数一多，这样的状态数量就会呈指数级增长，这也是为何量子计算研究都在朝着更多量子比特数推进的原因。从能效的角度来看，由于算力的指数级增长，量子计算机所需的空间和能耗都要更少，而且哪怕提升到数千个量子比特，其功耗也不会有多大的变化。
 
各国已经在行动
 
尽管量子计算还在发展初期，但不少研究机构都开始做出突破，并加以实验了。就拿我国来说，去年北京量子信息科学研究院就发布了长寿命的超导量子比特芯片，将量子比特相干时间达到500微秒以上。这一参数决定了量子计算机一系列核心性能问题，因为要想进行量子计算就必须要在相干时间内完成，否则就会因为与环境因量子发生纠从而退相干，也只有这种长相干时间的量子芯片实现具有操作价值的量子算法。目前该芯片的研发团队也在研究把这一技术应用于多比特制备中。
 
欧洲弗劳恩霍夫协会也用到了IBM的27量子比特量子计算机，并将其用于一系列的量子计算研究中，比如对复杂资金流的有效分析，可持续生产与物流的智能算法和新型电池建模等等。澳大利亚量子计算公司Silicon Quantum也在近日宣布制造出首个原子大小的量子集成电路，这也证明了量子计算硬件的扩展潜力无限。
 
量子计算面临的挑战
 
但量子计算确实没有什么落地场景，这是因为其技术本身尚未成熟，还面临着不少挑战。比如在编程上，对于超算来说，目前已经有了很完善的编程体系，各大软硬件厂商也在逐步超算程序代码的可移植性。而量子计算采用的是完全不同的编程思路，所以开发者必须得换一套框架，重新开发算法来解决现有的问题。

 
Eagle 127量子比特处理器 / IBM

 
再者就是能耗问题，固然我们在前面提到了量子计算机的能耗会显著低于传统的超级计算机，但从系统整体功耗的角度来看却未必，因为量子计算系统最耗电的地方还是在冷却系统上。比如要想维持量子态就必须维持在接近绝对零度下的极低温运行，比如用上无液氦稀释制冷机等，这些冷却系统的功耗可要远超现代超算的冷却系统。不过好就好在这类冷却系统的功耗往往不会再进一步提升了，所以随着规模的扩大，量子计算系统的功耗最终还是会低于传统超算，所以量子计算还是得先在冷却技术上获得突破。
 
结语
 
在我们看待量子计算这一技术时，一定不要相信过度炒作，也不要相信那些夸大其实的时间跨度。就像不久前上市量子计算公司IonQ被指责夸大其硬件一样，这些名不副实的消息对量子计算只有坏处。但我们同样不能对这一技术毫无作为，因为正如传统计算硬件一样，该技术一旦出现突破，短时间内拉开差距还是很容易的，届时诞生的巨头很可能会继续称霸下一个十年。