量子计算的展望

写于2025年1月8日

24年我参与了许多量子的项目。在这个过程中，一些思维方式上的转变让我有了与以往不同的思考。今天，我想聊一聊对未来的看法：量子计算是如何实现的，未来潜在的方向在哪里，以及时间预期如何。

量子计算的实现，从科学视角来说是可行的，从历史发展来说也是必然。

第一，制约工业发展的最终铁壁，是物理定律。例如，蒸汽机(空调)的发展，要受到热力学循环的极限效率制约；经典计算机芯片的发展，要受到线路最小距离的影响。而任何在物理定律上仍没有出现明显制约的产品，总会在人们感到不可行时继续突破。例如，电池技术从前被认为不可能发展到为汽车这样的超大设备供能，但现在电动汽车已经逐步成为主流；AI技术在前几年被认为没有找到真正智能的方向，随后却在大语言模型方面又产生了重大的突破。量子计算机尽管目前进展艰难，但没有明确的理论证明其不可实现，故我认为其终究会实现。

第二，尽管一个技术最终会被实现，但其发展过程如果过于漫长，则不是工业界应当追求的。我认为量子计算机的发展会越来越快。反向思考来说，人类的发展需要不断的技术进步，以实现对资源的占据、整合和扩张。为了更长的人均寿命，生命科学要求更精细的分子级理解和预测，为了更多的宇宙资源，航天科学需要更好的能源动力，超导领域、更进一步的人工智能似乎都无法脱离量子计算技术独自实现。因此，市场如果不再反复追求故事，量子计算技术的突破是其他技术的轴心。因此我们会有资源来进行这项事业。

量子计算被认可，仍需5~10年。 随着逻辑比特的逐渐完成，可以看到量子计算机的发展是符合预期的。随着编码技术的上升，单个逻辑比特需要的物理比特将减少，我们有希望在5年后(2030)使用上100个逻辑比特。到那时，一些量子化学问题可以得到求解。而在10年后，我们可以期待有1000~10000个逻辑比特，大部分量子化学问题结果将重塑。15年左右(2040)，我们有希望看到一些悬而未决的科学问题通过量子计算解决，例如超导问题、量子AI等。

量子计算的第一个应用场景是量子化学。 普遍的认识是，量子计算的首要两个解决的问题是化学问题和组合优化问题。不过，其中优化问题经典性较强，对通用量子机器的依赖度不高，可能会通过退火机或某些采样机来实现，更依赖特定硬件的提升。而化学问题要求的逻辑比特数不多，亟需解决的问题多，经典计算机早已遇到困难且无法前进，可能是未来最重要的研究方向。

合适的方向可能是催化和电相关方向。 化学中，对生产最有益的是催化剂，而涉及电的相关领域较多，如电池，电极，电还原等。因此，比较于传统热催化，电催化在未来可能更占主流。相比于有机材料的制备，合金电极的制备相对简单，不过要达到原子级调控仍然是困难的。目前，电催化涉及多表面、多相反应，传统计算不准确不全面，而实验尝试也很难针对性的制备原子级调控的材料，因此该方向留有空白。若能使用跨尺度平台探索空白，在未来以量子技术实现突破，是一个潜在的方向。从合金材料开始，MOFs材料，有机材料都可能是未来的催化剂。