郭光灿：中国量子计算机发展明显落后美国，但仍有机会
2016年11月18日，中科院软件所研究员杨超与清华大学副教授薛巍、付昊桓等人联合北师大组成的研究团队凭借在“神威·太湖之光”上运行的“千万核可扩展全球大气非静力云分辨模拟”应用，一举摘下国际高性能计算应用领域最高奖—戈登贝尔奖。同时，中科院计算机网络信息中心基于“神威·太湖之光”的“钛合金微结构演化相场模拟”也成功入围，获得提名。
高性能计算能力是国家重要科技实力的体现，中科院、科技部率先部署和支持了高性能计算相关规划与建设。到2016年，中国科学院高性能计算环境已为我国科研服务20年，支撑了多个国家重大规划、千余项国家各类科研项目。
虽然中国高性能计算已经取得了里程碑性的成绩，不过科研工作者的脚步从未停止。他们已经在思考，未来的发展方向在哪里，并将目光瞄向了“天然的超级计算机”—量子计算机。
本文根据郭光灿院士在“纪念HPC@CAS20周年学术研讨会”上的报告整理、编辑而成，并经本人审阅。
出品科普中国
制作中国科学技术大学
郭光灿
中国科普博览
监制中国科学院计算机网络信息中心
1 “杞人忧天”的物理学家们与量子计算机的诞生
量子计算机的诞生，和著名的摩尔定律有关，还和“杞人忧天”的物理学家们有关。众所周知，摩尔定律的技术基础是不断提高电子芯片的集成度（单位芯片的晶体管数）。集成度不断提高，速度就不断加快，我们的手机、电脑就能不断更新换代。
在20世纪80年代，摩尔定律很贴切地反映了信息技术行业发展。但“杞人忧天”的物理学家们，却提出了一个“大煞风景”的问题：摩尔定律有没有终结的时候？之所以提出这个问题，是因为摩尔定律的技术基础，天然地受到两个主要物理限制。
一是巨大的能耗，芯片有被烧坏的危险。芯片发热主要是因为计算机门操作时，其中不可逆门操作会丢失比特。物理学家计算出每丢失一个比特所产生的热量，操作速度越快，单位时间内产生的热量就越多，计算机温度必然迅速上升，必须消耗大量能量来散热，否则芯片将被烧坏。
二是为了提高集成度，晶体管越做越小，当小到只有一个电子时，量子效应就会出现。电子将不再受欧姆定律管辖，由于它有隧道效应，本来无法穿过的壁垒也穿过去了，所以量子效应会阻碍信息技术继续按照摩尔定律发展。这两个限制就是物理学家们预言摩尔定律会终结的理由所在。
虽然这个预言在当时没有任何影响力，但“杞人忧天”的物理学家们并不“死心”，继续研究，提出了第二个问题：如果摩尔定律终结，在后摩尔时代，提高运算速度的途径是什么？这就导致了量子计算概念的诞生。
2 量子计算机虽然好研制起来却非常难
量子计算机和电子计算机一样，其功用在于计算具体数学问题。
所不同的是，电子计算机所用的电子存储器，在某个时间只能存一个数据，它是确定的，操作一次就把一个比特（bit，存储器最小单元）变成另一个比特，实行串行运算模式；而量子计算机利用量子性质，一个量子比特可以同时存储两个数值，N个量子比特可以同时存储2的N次方数据，操作一次会将这个2的N次方数据变成另外一个2的N次方数据，以此类推，运行模式为一个CPU的并行运算模式，运行操作能力指数上升，这是量子计算机来自量子性的优点。
量子计算本来就是并行运算，所以说量子计算机天然就是“超级计算机”。
3 把量子计算机从“垃圾桶”捡回来的量子编码与容错编码
实现量子计算机最困难的地方在于，这种宏观量子系统是非常脆弱的，周围的环境都会破坏量子相干性（消相干），一旦量子特性被破坏将导致量子计算机并行运算能力基础消失，变成经典的串行运算。所以，早期许多科学家认为量子计算机只是纸上谈兵，不可能制造出来。直到后来，科学家发明了量子编码。
量子编码的发现等于把量子计算机从“垃圾桶”里又捡回来了。采用起码5个量子比特编码成1个逻辑比特，可以纠正消相干引起的所有错误。不仅如此，为了避免在操作中的错误，使其能够及时纠错，科学家又研究容错编码，在所有量子操作都可能出错的情况下，它仍然能够将整个系统纠回理想的状态。这是非常关键的。
4 量子计算机的“量子芯”
量子芯片的研究已经从早期对各种可能的物理系统的广泛研究，逐步聚焦到了少数物理系统。20世纪90年代时，美国不知道什么样物理体系可以做成量子芯片，摸索了多年之后，发现许多体系根本不可能最终做成量子计算机，所以他们转而重点支持固态系统。
固态系统的优点是易于集成（能够升级量子比特数目），但缺点是容错性不好，固态系统的消相干特别严重，相干时间很短，操控误差大。2004年以来，世界上许多著名的研究机构，如美国哈佛大学，麻省理工学院，普林斯顿大学，日本东京大学，荷兰Delft大学等都投入了很大的力量，在半导体量子点作为未来量子芯片的研究方面取得一系列重大进展。最近几年，半导体量子芯片的相干时间已经提高到200微秒。
5 尚未研制成功的量子计算机，我们仍有机会！
很多人都问，实际可用的量子计算机究竟什么时候能做出来？中国和欧洲估计需要15年，美国认为会更快，美国目前的发展确实也更快。量子计算是量子信息领域的主流研究方向，从90年代开始，美国就在这方面花大力气研究，在硬件、软件、材料各个方面投入巨大，并且它有完整的对量子计算研究的整体策划，不仅各个指标超越世界其他国家，各个大公司的积极性也调动了起来。
美国的量子计算机研制之路分3个阶段：第一阶段政府主导，主要做基础研究；第二阶段，企业开始投入；第三阶段，加快产出速度。反观中国的量子计算机发展，明显落后，软件、材料几乎没有人做，软硬件是相辅相成的，材料研究也需提早做准备。“十三五”重大研究计划，量子计算机应当“三驾马车”一起发展，硬件、软件、材料三个都要布局。
尽管落后，毕竟量子计算机尚未研制成功，我们仍有机会，只是时间已越来越紧迫！只要能发挥我国制度的优越性，集中资源有步骤地合理布局、支持，仍然大有可为！