美国量子公司联手奔驰，利用量子计算改进电池技术

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美国量子公司联手奔驰，利用量子计算改进电池技术

量子技术刚成型美国就掌握核心技术，我们该如何自处？

究竟有哪些公司在研究量子计算，量子计算有何发展趋势？

量子七问：量子计算，这可是一个颠覆性的新技术

一、美国量子公司联手奔驰，利用量子计算改进电池技术

澎湃新闻记者 王蕙蓉

近日，美国量子公司PsiQuantum与梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)就量子计算改进电池技术展开合作，并发表了在容错量子计算机上模拟锂离子电池(LiB)中电解质分子的一项新研究, 以实现电池设计上的新突破。

电动汽车的进一步普及应用，离不开充电更快、更持久高效的电池技术。但了解和改进电池化学过程需要进行分子模拟。

目前，新型锂离子电池的开发涉及大量试错实验。这一缓慢而昂贵的研发过程原则上可以通过模拟和验证其中的新化学成分来加速。然而传统的超级计算机很难模拟这些分子及反应的量子行为，量子计算机则有望克服这一技术限制。

现代锂离子电池在充放电循环过程中，通过液态电解质材料将电荷从一个电极移动到另一个电极。改进电解质将对各项电池性能具有重要影响，包括能量密度（即电池效率）、充电速度、电池寿命、成本和安全性等。如果找到一种添加剂化学物质，能够增强电解液所提供的电池电流，就可以进一步改进和开发锂离子电池。为了识别潜在的添加剂，需要精确地模拟它们的存在对电解质分子的影响，但这类模拟所涉及的计算无法通过传统计算机完成。

对此，PsiQuantum公司与奔驰开展合作，研究用于模拟常用电解质添加剂氟乙烯碳酸酯(fluoroethylene carbonate)效果的量子算法。相关成果发表在《物理评论研究》(Physical Review Research)上，系统阐述了容错量子计算如何优化电池设计。

图片来自《物理评论研究》(Physical Review Research)

团队评估了模拟前述量子计算中最大分子(就电子轨道而言)所需的物理资源。他们发现，这需要一台拥有16382个逻辑量子位的量子计算机，能够执行包含2320亿个T门（一种通用量子位门）的电路。这一技术条件目前显然无法实现，因此团队将相关应用程序编译到一个特定的硬件架构——基于光子融合的量子计算(FBQC)。在这个架构中，基本的硬件单元是资源状态发生器(RSGs)，一种可以根据需要产生小型纠缠光子集合的硅光子器件。团队通过研究发现，FBQC无需进一步优化，就可以在一天内完成模拟氟碳酸乙烯对电池性能的影响。

他们还演示了一种专门用于光量子计算的交错方法(Interleaving)，通过一种模块化的FBQC架构，将一个RSG及其相关的融合设备和少量的光纤延迟线组合成“交错模块”，这一研究成果发表在arXiv.org。

RSG被布置在一个2D平面上，不同区域负责不同的任务，图片来自《物理评论研究》论文

前述联合研究标志着量子计算机在实现高效化学模拟中的进展，并揭示了如何更好地利用容错量子计算机以加速开发新一代电池。

“更优质的电池对于我们从化石燃料过渡到更加可持续的运输及能源储存方式来说至关重要。”PsiQuantum公司首席科学官Pete Shadbolt表示，“通过仔细考量未来容错量子计算机的运行方式，我们已经能够优化和加强量子计算机改进电池分子设计的方式。”

责任编辑：李跃群

一、量子技术刚成型美国就掌握核心技术，我们该如何自处？

量子技术刚成型美国就掌握核心技术，我们应该加大科研经费的投入，不畏困难继续探索，放平心态，迎头赶上。继续探索更远，更深的量子科技，不需非以美国为目标。

一、我们对科学和技术的态度。

科技的进步可谓一日千里，现如今世界各国，都在紧锣密鼓的推动科学进步，向人类已知，未知的各种领域不断的探索。中国在科技方面投入的资金也越来越多，对科研工作者的重视程度也在加大，当然，还远远不够，社会应该形成一种共识，科技无价。对科研领域的资金投入远比花费巨额资金做面子工程更有价值。对科研人员的重视，远比对娱乐明星的追捧更有价值。如果整个社会形成一种对人才的尊重，形成一种对科学和技术的尊重，我们的科研水平，一定会更上一层楼。

二、量子力学的重要性

如今适用性最广泛的科学，就是“量子科技”了，不论是医疗器具，计算机，通信科学，都依赖于量子技术的发展。随着上世纪著名物理学家波尔逝世，量子科技就已经处在了一个“瓶颈期”，很长时间没有理论上的突破了。虽然我们如今使用的手机，电脑，电视都在一定程度上运用了量子科技，但仍然“换汤不换药”，没有实质性的进展。

但是近期，美国科学家却有一个创造性的突破，正式推开了那项尘封已久的大门，他们发现了量子状态下，物质的另一种存在方式，结论报告刚刚刊登，就震惊了全世界的科学界。

相信我们大家都知道，通常来说，任何物质都只有三种状态：气态，液态，固态，不论何时何地都是如此。但是据美国加利福尼亚大学天文系教授戈登表示，经过高强度的电流刺激之后，物质还有另一种形态——拓扑超导体。拓扑超导体有什么作用呢？假如我们能够用外力让它解体的话，那么内部就会产生巨大的能量，表面则会出现一层纳米金属钛。据他说，这项新技术，可以让未来的量子计算机，性能达到如今的一百倍以上。

三、我国未来的发展畅想

美国在量子力学上拥有如此大的突破，对我们来说也是一种激励，说明在量子领域这块，人类还是可以有突破的空间的。中国既不能妄想美国会把技术分享出来，也不能妄自菲薄，我们当年在一穷二白的基础上，还制造了原子弹和氢弹呢。何况，现在的中国，已经不是刚建国时期，我们有自信能突破这个技术关卡。中国人的潜力是逼出来，说这话可能有点不贴切，但回想一下，凡事外国切断技术，围剿我们的，我们总能自己研发出更好的。但凡是能买到，能依靠外界环境获取时，我们就缺少创新了。只要肯踏实研究，中国人的智商，不在任何民族之下。

二、究竟有哪些公司在研究量子计算，量子计算有何发展趋势？

在全球大型科技公司中，包括谷歌，IBM，微软，阿里巴巴和华为在内的公司已经投资数亿美元开发量子计算。此外，各国政府也对此进行了大量投资，我了解到的投资数据跟投资预算大概是，2020年2月的时候，全世界，从以上数据可以看出，印度投资2020年特朗普政府今年早些时候提出了一项预算，向美国国家科学基金会提供2．1亿美元用于量子研究。

向能源部提供2．37亿美元，2500万美元将用于在全国范围内发展量子互联网，从根本上说的话，量子计算的实施是困难的，并且还处于起步阶段。特别是，通用量子计算机目前还没有找到合适的商业用例。此外，量子计算机硬件本身的发展是极其困难的，因此，只有少数公司和机构能够在硬件方面有投入和获得。

从目前的情况来看，市场上的公司主要倾向于以部分功率的形式促进量子计算，亚马逊就是一个例子，以一种更灵活的方式访问不同类型量子计算机的现有硬件后端。拥有商业吸引力是量子计算初创企业必须面对的问题。没有直接的商业用例，初创企业就无法获得像谷歌的母公司这样的，这种公司拥有数十亿美元的资本投资。

或者作为技术巨头IBM的强大资本技术驱动。然而，全球趋势正在改善，这种尚未见到直接使用案例但吸引了众多参与者的风险投资趋势已被证明是过去一段时间的另一种趋势，量子计算的投资非常有吸引力，成功的话回报无法估计，但投资于能够实现量子优势的公司属于登月计划。

关于究竟有哪些公司在研究量子计算量子计算有何发展趋势的问题，今天就解释到这里。

三、量子七问：量子计算，这可是一个颠覆性的新技术

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息、运行的是量子算法时，它就是量子计算机。现在或许还无法准确预测“量子计算机时代”何时到来，但在科学家看来，已经没有什么原理性的困难可以阻挡这种革命性、颠覆性产品的诞生。

量子计算机研制（图片来源于网络）

以半导体芯片为核心的计算机的发明成就了现代信息技术产业（硬件、软件、网络、通信等）的高速发展，深刻改变了人类的社会活动形式，甚至是国防安全和国家核心竞争力。半导体集成电路芯片几十年以来一直沿着“摩尔定律”发展，单位芯片上晶体管数目越来越多，集成度越来越高。

截止到目前，集成电路芯片制造工艺处于14&10nm技术代量产阶段，更小尺寸的技术代（7nm和5nm）处于研发阶段。在可预见的未来将达到控制电子的物理极限，当单个晶体管缩小到只能容纳一个或几个电子时，就会出现单电子晶体管（量子点），量子隧穿效应将不可避免的影响电子元器件的正常工作。尽管科研人员正在努力通过各种手段进一步延续晶体管的制程尺寸并同时开发多核芯片技术，但相关技术只能在有限范围内优化传统芯片性能，无法阻止“摩尔定律”必将被打破的历史趋势。

集成电路芯片（图片来源于网络）

当现代计算机芯片在经典物理领域内无法进一步提升结构性能时，可以研究探索有别于当前计算机架构的新型结构和多核芯片，或者研究量子力学规律开发量子计算。新型结构需要抛弃当前计算机所遵循的冯·诺依曼架构，而量子计算则需要改变现有半导体芯片的基本结构，利用量子叠加和量子纠缠来实现逻辑运算。国际半导体技术发展路线图认为多核芯片等技术只能短期延续摩尔定律，中长期必然要发展以量子物理为基础的量子计算等颠覆性、革命性新型器件来超越摩尔定律，信息的量子化趋势将不可避免。量子计算是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物，是后摩尔时代具有标志性的技术。

对于现代计算机而言，通过控制晶体管电压的高低电平，从而决定一个数据到底是“1”还是“0”，采用“1”或“0”的二进制数据模式，俗称经典比特，其在工作时将所有数据排列为一个比特序列，对其进行串行处理。而量子计算机使用的是量子比特，量子计算机能秒杀传统计算机得益于两个独特的量子效应：量子叠加和量子纠缠。量子叠加能够让一个量子比特同时具备0和1的两种状态，量子纠缠能让一个量子比特与空间上独立的其他量子比特共享自身状态，创造出一种超级叠加，实现量子并行计算，其计算能力可随着量子比特位数的增加呈指数增长。理论上，拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过目前世界上最先进的超级计算机“天河二号”，拥有300个量子比特的量子计算机就能支持比宇宙中原子数量更多的并行计算，量子计算机能够将某些经典计算机需要数万年来处理的复杂问题的运行时间缩短至几秒钟。这一特性让量子计算机拥有超强的计算能力，为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材料制造和新能源开发等奠定科学基础。

量子计算机工作原理（图片来源于网络）

此外，量子计算的信息处理过程是幺正变换，幺正变换的可逆性使得量子信息处理过程中的能耗较低，能够从原理上解决现代信息处理的另一个关键技术--高能耗的问题。因此，量子计算技术是后摩尔时代的必然产物。

量子计算技术不仅能克服现代半导体工艺因为尺寸减小而引起的热耗效应，还能利用量子效应实现功能强大的并行计算，极大地提高计算速度和信息处理能力。规模化通用量子计算机的诞生将极大地满足现代信息的需求，在海量信息处理、重大科学问题研究等方面产生巨大影响，甚至对国家的国际地位、经济发展、科技进步、国防军事和信息安全等领域发挥关键性作用。

（一）国家影响力

信息是当今世界最为重要的战略资源，计算机技术是现代信息技术的核心，信息处理能力是信息时代的基本生产力，是国家的核心竞争力，体现国家综合实力的重要标志。二战结束以来，美国一直占据超级计算机研发的尖端，最初主要用于计算导弹弹道以及核武器模拟计算等军事活动当中，后来逐步应用到科研、产品研发、金融等各个领域。随后，计算机和互联网技术在美国迅速发展壮大，并在世界范围内扩展和加速全球化进程，美国在此过程中积累了其强大的国际影响力。量子计算科技革命给了我国一个从经典信息技术时代的跟踪者、模仿者转变为未来信息技术的引领者的、不可错过的伟大机遇。量子计算技术是一种颠覆性技术，关系到一个国家未来发展的基础计算能力，一旦形成突破，会使掌握这种能力的国家迅速建立起全方位战略优势，引领量子信息时代的国际发展。

（图片来源于网络）

（二）经济影响力

量子计算机能克服现代计算机发展所遇到的能耗和量子效应问题，从而摆脱半导体行业面临的摩尔定律失效的困境，同时突破经典极限，利用量子加速、并行特性解决经典计算机难以处理的相关问题。作为现代计算机的颠覆者，未来量子计算机会像经典计算机一样形成庞大的技术产业链，在国民经济生活中产生重大影响。其突破必将为信息和材料等科学技术的发展开辟广阔的空间，成为后摩尔时代和后化石能源时代人类生活的技术依托。量子计算机的研制必将带动包括材料，信息，技术，能源等一大批产业的飞跃式发展。量子计算机强大的并行计算和模拟能力，将为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，从而为提高国家整体经济竞争力创造条件。

量子计算与气象预报（图片来源于网络）

（三）科技影响力

过去50年以来，半导体及信息行业的技术发展经历过数次突破，从处理器的运算速度到存储器容量，再到网络带宽，每一次突破之后都能带来巨大的社会进步。目前，海量数据处理已成为急需攻克的壁垒。当前计算机处理海量数据的能力非常薄弱，传统计算机已经远远无法满足信息量爆炸式增长的需求，迫切需要从原理上突破超大信息容量和超快运算速度的瓶颈，而量子计算机正好能有效满足这一需求。量子计算机在科学研究领域具有广泛应用前景。学术界认为，在量子计算机达到大规模应用的比特数之前，将首先用于对量子体系的模拟。量子计算机利用其特殊的量子力学原理，将为强关联等物理学提供完美的检验平台。同时量子计算对于生物制药、机器学习、人工智能领域将产生深远影响，并对提高国家科技影响力起到积极作用。

人工智能（图片来源于网络）

（四）军事影响力

量子物理与计算科学第一次大规模结合的直接原因就是研制核心武器的需求。在计算技术的发展历程中，军事应用价值始终是其重要推动力之一。量子计算机的强大功能应用到国防建设时，其强大的运算、搜索、处理能力，将为未来武器研发提供计算、模拟平台，缩短研发周期，提高武器研发效率。还将在未来战场上破译加密密文，为及时高效准确的情报和战况分析提供技术支撑，提升作战能力，同时在战场计划、组织决策、后勤保障等方面发挥巨大作用，甚至有可能改变未来战争的形态，掌握其核心技术能够极大地增强国防综合实力。

量子物理与军事（图片来源于网络）

（五）国家信息安全

量子计算机最受关注的重要应用之一是破译现代密码体系。理论研究表明，目前使用的RSA公开密钥体系在量子计算机面前将不堪一击。构建于基于经典保密系统之上的安全体系将变得无秘可言。此外，量子计算对于信息安全的威胁还具有前溯性，如果现在的通信网络流量遭到窃听并被存储下来，未来潜在的对手利用量子计算能力，就能对这些通常加密的信息进行破解，从而在多年以后将威胁范围追溯到当前。量子计算机的研制已经成为国际社会关注的焦点，其对国家安全体系的重大意义不言而喻。

量子计算机纵然有无比强大的颠覆性功能，然而通用量子计算机的研制过程是相当复杂的。研制量子计算机的关键在于量子比特的制备。量子比特非常脆弱，外界任何微弱的环境变化都可能对其造成破坏性影响。因此，量子计算机的核心部件通常处于比太空更加寒冷的密封极低温环境中，防止受到其他环境因素的干扰。量子比特的制备方式存在多种方案，经过近二十年的发展，国际主流研究集中到了超导量子比特、半导体量子点、囚禁离子、钻石空位和拓扑量子比特等。

由于量子计算对于国家安全及经济发展的巨大影响，世界各国政府持续高强度资助量子计算机的研制。毫无疑问，美国在量子计算机研制上是国际最领先的，并且有着完整的布局。虽然量子计算研究的进展低于十年前的预期，但还是让人们看到了突破可集成化量子计算机技术瓶颈的希望。特别当量子比特的保真度突破了容错量子计算的阈值，使得一些基本量子算法得到演示。这些巨大的成就吸引了一些国际商业机构和政府部门的极大关注。

（图片来源于网络）

量子计算机研制已经进入一个十分关键的时刻，国际上超大计算机、信息企业都投入巨大人力、物力来研制量子计算机。主要包括：2012年微软研究院（美国）成立了量子体系结构与计算研究组，主要的目标是实现量子计算机软件体系结构, 包括量子程序设计语言及编译系统。2013年谷歌公司与美国国家航空航天局（NASA）联合成立了量子人工智能实验室，研究如何将量子计算机应用于大数据分析与机器学习。2014年9月2日谷歌宣布美国UCSB大学的 Martinis教授研究组加入谷歌公司研发量子计算机处理器。2014年 IBM宣布耗资30亿美元研发下一代芯片（五年计划），主要是量子计算与神经计算。2015年世界最大的芯片制造商Intel公司宣布投入巨资与荷兰代尔夫特理工大学合作研发基于硅量子点的量子计算机，并于近日开发出了将量子计算机需要的超纯硅附着在传统微电子工业标准晶圆上的技术，以期抢占半导体量子计算机研制的制高点。2015年5月，全球最大的国防工业企业洛克希德.马丁(Lockheed Martin)与马里兰大学合作研发集成量子计算平台。2016年5月4日IBM公司发布了5个量子比特的量子计算云服务。2016年8月4日马里兰大学与美国国家标准与技术研究院（NIST）发布5个量子比特的可编程量子计算机。美、日、欧等发达国家在前期已经投入大量研发资金之后，2016年4月欧盟又宣布于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目，促进包括通用量子计算机等在内的多项量子技术的发展。同月，澳大利亚政府宣布在澳大利亚量子计算与通信技术中心成立量子计算实验室，进一步集中对半导体硅基量子芯片等研究加大投入，以期抢占半导体量子计算的制高点。

我国政府也很重视量子信息技术的发展，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中将“量子调控研究”列为四个重大科学研究计划之一，给予量子信息技术稳定的研究支持，做出了一系列创新性研究成果，在某些方面已经处于国际领先地位，特别是基于量子物理的新型量子保密通信技术已逐步迈向实用化产业化。

然而实用化量子计算机的研制是一个系统工程，既要以量子物理为基础进行量子计算模型的原理性创新，又要从材料体系，结构工艺，系统构架和软件控制等工程技术创新和积累，我国在现代工艺技术上的基础薄弱，在核心电子器件、高端通用芯片、基础软件、极大规模集成电路制造装备等长期落后，也导致我国量子计算的研究大都局限于原理验证性和演示性层面，缺乏系统深入的实验平台和以实用化量子计算机为目标的研究队伍。特别是在可扩展的固态量子比特研究体系上，国内只有中国科学技术大学、南京大学、清华大学、浙江大学和中国科学院物理研究所等少数单位开展相关研究。虽然经过近几年不懈努力，我们在半导体量子点和超导量子比特研究中取得了一系列重大突破，在某些方面达到了世界一流水平，但是与国际领先水平还有差距，特别是在人力和物力方面的投入与欧美国家相比还远远不足。

（图片来源于网络）

量子计算机的研制需要物理、材料、信息和计算机科学等多学科的紧密协调和结合，从而实现从大规模器件的制备向微电子工程方面迈进。通用量子计算机的研制还有很长的路需要走，量子计算机的研制将伴随着经典计算的发展一起前进，相信随着量子比特的保真度达到容错量子计算的阈值，量子计算机的研究已经从实验室阶段向工程技术化阶段迈进，越来越多的研究单位和大型公司企业将进入，从而加速可实用化通用量子计算机研制的进程。从先进的发展模式而言，各大公司与研究机构合作研制量子计算机是集科研机构、公司、政府部门等于一体的研发模式，这可能是未来推进量子计算机研制的一种有效模式。

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

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