量子計算：一場(chǎng)接近“突破點(diǎn)”的競逐

　　5量子比特、10量子比特、50量子比特，一場(chǎng)你追我趕、爭相領(lǐng)先的激烈競逐近年來(lái)正在量子計算領(lǐng)域上演。

　　去年底，美國IBM公司宣布推出全球首款50量子比特的量子計算原型機，量子計算領(lǐng)域的競爭進(jìn)入關(guān)鍵階段。

　　聰者聽(tīng)于無(wú)聲，明者見(jiàn)于未形

　　當魔幻般的理論在現實(shí)中推動(dòng)進(jìn)步，各國的科研實(shí)力體現無(wú)疑。

　　在IBM公司宣布成果的半年前，中國科學(xué)家已發(fā)布世界首臺超越早期傳統計算機的光量子計算機，實(shí)現10個(gè)超導量子比特糾纏，在操縱質(zhì)量上也是全球領(lǐng)先。

　　從個(gè)位數到幾十量子比特的進(jìn)展，各國你追我趕，這到底是為什么?

　　從1970年到2005年，正如摩爾定律預測的一樣，每18個(gè)月集成電路上可容納的元器件數目約增加一倍，計算機的性能也相應提升近一倍。但2005年后這種趨勢就開(kāi)始放緩，極其微小的集成電路面臨散熱等問(wèn)題考驗。

　　如果按這個(gè)趨勢繼續發(fā)展，當集成電路的尺寸接近原子級別的時(shí)候，電子的運動(dòng)也不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規律，這個(gè)時(shí)候量子力學(xué)將起到主導作用。

　　上世紀80年代，科學(xué)家就已預言問(wèn)題所在，并提出量子計算才是方向。這也不約而同成為各主要國家關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　傳統計算機的基本數據單位是比特，而量子計算機以量子比特衡量。有觀(guān)點(diǎn)認為，如果量子計算機能有效操縱50個(gè)左右量子比特，能力即超過(guò)傳統計算機，實(shí)現了相對傳統計算機的“霸權”。這種“量子霸權”正是各科研機構競相追逐的目標。

　　近來(lái)，科技巨頭紛紛宣布重要進(jìn)展。除IBM的50量子比特計算機原型，英特爾也在1月份宣布研制49量子比特的測試芯片。但這些企業(yè)沒(méi)有發(fā)布詳細性能報告，用詞離不了“原型”和“測試”，更沒(méi)有宣稱(chēng)已經(jīng)實(shí)現“量子霸權”。

　　這是因為量子比特光有“數量”不夠，還得有“質(zhì)量”，即通過(guò)糾纏等方式操縱量子比特互相關(guān)聯(lián)，才能有效利用它們進(jìn)行量子計算。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊去年5月實(shí)現的10個(gè)超導量子比特糾纏，就是有“質(zhì)量”的量子比特，但離“量子霸權”還有相當距離。

　　“很顯然，建造量子計算機現在是一個(gè)世界范圍內的競賽?！泵绹每怂_斯大學(xué)奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿倫森說(shuō)。他認為，未來(lái)一年左右將可能有人贏(yíng)得“量子霸權”競賽。

　　長(cháng)風(fēng)破浪會(huì )有時(shí)，直掛云帆濟滄海

　　人類(lèi)已進(jìn)入一個(gè)能看到量子計算機將要“出生”的時(shí)間段。中國科學(xué)院院士、量子計算專(zhuān)家、圖靈獎獲得者姚期智說(shuō)，這是“最后一公里”，但也是一個(gè)非常艱難的過(guò)程。

　　業(yè)內專(zhuān)家指出，量子計算需要克服環(huán)境噪聲、比特錯誤和實(shí)現可容錯的普適量子糾錯等一系列難題，真正量子計算機研發(fā)挑戰巨大。

　　那么量子計算到底魅力何在，讓全球都不愿錯失良機?

　　起源于1900年普朗克所提理論的量子力學(xué)，描述了看似魔法的物理現象。在微觀(guān)尺度上，一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，而不像傳統計算機中的比特只能處于0和1中的一種狀態(tài)。

　　這樣的一些特性，讓量子計算機的計算能力能遠超傳統計算機。美國谷歌公司等機構在2015年宣布，它們的“D波”(D-Wave)量子模擬機對某些問(wèn)題的求解速度已達到傳統計算機的1億倍。雖然它并不被認為是真正的量子計算機，但量子計算的巨大潛力已經(jīng)顯露。

　　為加速進(jìn)入量子計算機陣營(yíng)，各國政府紛紛加大投入。歐盟在2016年宣布投入10億歐元支持量子計算研究，美國僅政府的投資即達每年3.5億美元。中國也在大力投入，目前正在籌建量子信息國家實(shí)驗室，一期總投資約70億元。

　　如果“量子霸權”實(shí)現，人類(lèi)計算能力將迎來(lái)飛躍，接下來(lái)就會(huì )是在多個(gè)領(lǐng)域的推廣。一些行業(yè)巨頭已經(jīng)盯上了量子計算未來(lái)應用：阿里巴巴建立了量子計算實(shí)驗室;中科院與阿里云合作發(fā)布量子計算云平臺;IBM也在去年宣布計劃建立業(yè)界首個(gè)商用通用量子計算平臺IBM　Q，還與摩根大通等公司合作計劃在2021年前推出首個(gè)在金融領(lǐng)域的量子計算應用。

　　更不用說(shuō)在軍事、安全等敏感領(lǐng)域，量子計算一旦成熟，就可以攻破需要大量計算的傳統難題，比如密碼破解等。

　　“我相信量子技術(shù)在21世紀的重要性可與上個(gè)世紀的曼哈頓計劃相比?！敝?zhù)名量子科學(xué)家潘建偉院士說(shuō)。也就是說(shuō)，量子技術(shù)可能像曼哈頓計劃造出原子彈那樣改變世界格局。

　　潘建偉等中國科研人員正在不斷取得成果，在光與冷原子系統、超導系統等多種量子計算技術(shù)路線(xiàn)上同時(shí)發(fā)展，希望在未來(lái)10年，實(shí)現上百量子比特的糾纏。

　　潘建偉曾用“筍”來(lái)比喻中國量子計算領(lǐng)域的發(fā)展。因為筍尖剛長(cháng)出來(lái)時(shí)進(jìn)展較為緩慢，一旦長(cháng)起來(lái)便越來(lái)越快。他說(shuō)中國的量子計算就如“春筍”，“我們的爆發(fā)式增長(cháng)也已到了‘相變點(diǎn)’”。