量子計算未來(lái)已來(lái)？
圖：2022年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者圖源：諾貝爾獎官網(wǎng)近兩年，與量子計算相關(guān)的資訊越來(lái)越多，但量子計算本身十分抽象，與傳統計算相比要更加復雜，以至于外界對量子計算或量子力學(xué)的調侃在網(wǎng)絡(luò )上廣為流傳，比如“遇事不決，量子力學(xué)”“科學(xué)的盡頭是玄學(xué)”等。那么，到底什么是量子計算？我們又該如何正確理解這個(gè)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的價(jià)值？
打破“后摩爾時(shí)代”的算力危機當下，人類(lèi)社會(huì )正朝著(zhù)“數智時(shí)代”前進(jìn)，海量數據及其在提升經(jīng)濟社會(huì )效益方面起到的巨大作用，使得處理數據所需要的算力的重要性愈加凸顯，進(jìn)一步提升算力也因此成為數字社會(huì )發(fā)展的迫切需求。自經(jīng)典計算機發(fā)明以來(lái)，算力增長(cháng)一直遵循“摩爾定律”。根據該定律，單位面積上的晶體管的數量每18個(gè)月將翻倍一次，與之相應的是計算機性能（即算力）也隨之翻倍。
圖：Intel芯片圖源：Pixabay然而，傳統計算機所用的硅電芯片上的晶體管的數量，將逐漸達到物理極限，硅電芯片發(fā)展所面臨的瓶頸——算力、數據傳輸和存儲也日漸凸顯。為了應對算力挑戰，打破“后摩爾時(shí)代”的算力危機，目前先進(jìn)計算技術(shù)從單點(diǎn)計算性能的提升與算力系統的高效利用兩個(gè)方向著(zhù)手突破，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)出現多種具有廣泛市場(chǎng)前景的算力技術(shù)和硬件 。而在各類(lèi)算力相關(guān)的技術(shù)中，量子計算尤為受關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，量子計算是一種遵循量子力學(xué)規律調控量子信息單元進(jìn)行計算的新型計算模式，它與現有計算模式完全不同。在理解量子計算的概念時(shí)，通常將它與經(jīng)典計算相比較。經(jīng)典計算使用二進(jìn)制的數字電子方式進(jìn)行運算，而二進(jìn)制總是處于0或1的確定狀態(tài)。量子計算借助量子力學(xué)的疊加特性，能夠實(shí)現計算狀態(tài)的疊加。它不僅包含0和1，還包含0和1同時(shí)存在的疊加態(tài)。
圖：薛定諤的貓來(lái)源：pixabay這種疊加態(tài)，我們可以用“薛定諤的貓”來(lái)形象化地進(jìn)行闡釋。1935年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出了一個(gè)關(guān)于貓的著(zhù)名思想實(shí)驗，在這個(gè)實(shí)驗里，一只貓和少量放射性物質(zhì)被放進(jìn)一個(gè)盒子里，貓被放射性物質(zhì)殺死的概率為50%。從經(jīng)典物理學(xué)的角度來(lái)看，在盒子里的貓只有兩種結果：生或死。而結果只有當觀(guān)測者打開(kāi)盒子時(shí)才能知道。而站在量子力學(xué)的視角，處于密閉盒子中的貓的生死狀態(tài)是一種不確定的疊加狀態(tài)，只有當盒子打開(kāi)后，在外部觀(guān)測者觀(guān)測時(shí)，物質(zhì)以粒子形式表現后，貓是死是活的狀態(tài)才能確定 。而關(guān)在盒子里的貓生死疊加的狀態(tài)，正是量子的疊加性的宏觀(guān)闡述。科學(xué)家們認為，基于量子的疊加特性，量子計算機在特定任務(wù)上的計算能力將會(huì )遠超任何一臺經(jīng)典計算機。這就是所謂的“量子計算優(yōu)越性”或“量子霸權”?？茖W(xué)家們預計，當可以精確操縱的量子比特超過(guò)一定數目時(shí)，量子計算優(yōu)越性就可能實(shí)現。
超越“圖靈”的新可能1936年，阿蘭·圖靈以一篇著(zhù)名的論文《計算機器與智能》宣告了現代計算機科學(xué)的誕生，自此，人類(lèi)開(kāi)始步入機器智能時(shí)代。與圖靈思想相關(guān)的理論也成為“統治”經(jīng)典計算機領(lǐng)域此后幾十年發(fā)展的主流理論，例如“強邱奇-圖靈”論題（任何算法過(guò)程都能用圖靈機有效仿真）。但人類(lèi)總是在對自我的挑戰中獲得更大的發(fā)展，對“強邱奇-圖靈”論題的挑戰也推動(dòng)了量子計算機的誕生。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子計算機就是使用量子器件制造，利用量子的疊加與糾纏特性，運行量子算法與量子軟件的新型計算設備。在處理某些特定問(wèn)題上相對于經(jīng)典計算機具有指數級別的加速優(yōu)勢。谷歌在 2019 年推出了名叫“懸鈴木”的量子計算機，率先宣布實(shí)現了量子優(yōu)越性，“懸鈴木”包含53個(gè)量子比特的芯片，花費200秒就可以對一個(gè)量子線(xiàn)路取樣一百萬(wàn)次，如果用當時(shí)世界排名第一的超級計算機“Summit”完成同樣的任務(wù)則需要一萬(wàn)年。盡管IBM的科學(xué)家對Google宣稱(chēng)實(shí)現了“量子優(yōu)越性”存有異議，但這一突破無(wú)疑是量子計算領(lǐng)域的一項重大技術(shù)進(jìn)步，也因此，“量子優(yōu)越性”被《麻省理工科技評論》評選為2020年“全球十大突破性技術(shù)”之一。
過(guò)去 20 年里，多項與量子計算相關(guān)的技術(shù)入選《麻省理工科技評論》“全球十大突破性技術(shù)”，包括2003 年入選的“量子密碼”、2005 年的 “量子導線(xiàn)”、2018 年入選的“材料的量子飛躍”、2020年入選的“量子優(yōu)越性”等。現階段，量子計算雖然還處于發(fā)展早期，但也已經(jīng)開(kāi)始對金融、醫療、通信等多個(gè)行業(yè)帶來(lái)影響。業(yè)界認為，量子計算將在新****開(kāi)發(fā)、人工智能發(fā)展、破解加密算法、氣象預報、石油勘探等領(lǐng)域有很好的應用前景，并可揭示高溫超導、量子霍爾效應等復雜物理機制，為先進(jìn)材料制造和新能源開(kāi)發(fā)等奠定科學(xué)基礎。麥肯錫咨詢(xún)公司一份關(guān)于量子技術(shù)的檢測研究則顯示，2021年量子計算市場(chǎng)的資本投入持續飆升，其中，制****、化工、汽車(chē)和金融這四大行業(yè)將有望成為量子優(yōu)勢的關(guān)鍵受益行業(yè) 。根據DeepTech發(fā)布的《2022先進(jìn)計算七大趨勢》報告，2021 年度量子計算硬件及軟件公司共完成42筆融資，融資總額約26.91億美元，超過(guò)以往的總和。2022年8月，波士頓咨詢(xún)集團發(fā)布的一份報告預計，量子計算在未來(lái)15到30年內，將創(chuàng )造450億-8500億美元的價(jià)值。量子計算的遠大前景也吸引了國家、企業(yè)競相展開(kāi)產(chǎn)業(yè)布局與技術(shù)研發(fā)。2022年9月13日，世界經(jīng)濟論壇發(fā)布《量子計算現狀：構建量子經(jīng)濟》報告指出，2022年，量子技術(shù)相關(guān)的公共和私人投資總額達到355億美元 。全球知識產(chǎn)權綜合信息服務(wù)商IPRdaily中文網(wǎng)發(fā)布的全球量子計算技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利排行榜（TOP100）顯示，截至2022年10月18日，全球公開(kāi)的量子計算領(lǐng)域發(fā)明專(zhuān)利申請數量前100名企業(yè)主要來(lái)自18個(gè)國家和地區，其中美國占比40%，中國占比15%，日本占比11%。榜單上，位列前三的美國科技公司IBM、Google和加拿大量子計算公司D-Wave分別擁有1323件專(zhuān)利、762件專(zhuān)利和501件專(zhuān)利；來(lái)自中國的本源量子和百度網(wǎng)訊分別以234件專(zhuān)利、186件專(zhuān)利躋身前十，分列第六位和第八位 。從專(zhuān)利數據來(lái)看，全球量子計算產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段。國內外多個(gè)企業(yè)都在量子計算領(lǐng)域積極布局并取得不錯的成果，我國也迎來(lái)了量子計算研究的里程碑時(shí)刻。
進(jìn)擊的中國量子計算在我國，量子計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到政策的高度支持。其中，2015年5月，國務(wù)院頒布的《中國制造2025》中提到：積極推動(dòng)量子計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等發(fā)展，將量子通信納入新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)；2016年7月，國務(wù)院發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng )新規劃》中，量子通信與量子計算機被選擇納入體現國家戰略意圖的重大科技項目之一；2022年1月國務(wù)院發(fā)布的《“十四五”數字經(jīng)濟發(fā)展規劃》提出要瞄準傳感器、量子信息等前瞻性領(lǐng)域，提高數字技術(shù)基礎研發(fā)能力。在政策帶動(dòng)下，中國量子計算賽道也迎來(lái)快速發(fā)展。2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，構建出76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，實(shí)現了 “高斯玻色取樣” 任務(wù)的快速求解?！熬耪隆?處理高斯玻色取樣的速度，比目前最快的超級計算機快一百萬(wàn)億倍，比谷歌超導比特量子計算原型機 “懸鈴木” 快一百億倍。舉例來(lái)說(shuō)就是，在室溫下運行并計算玻色采樣問(wèn)題，同樣處理 100 億個(gè)樣本，“九章” 需要 10 小時(shí)，超級計算機需要 1200 億年。此后，中科大潘建偉教授與中科院上海微系統與信息技術(shù)研究院等多方進(jìn)行合作，成功打造出量子計算原型機“九章二號”。“九章二號” 高斯玻色取樣任務(wù)快速求解速度再次刷新了國際光量子操縱的技術(shù)水平。
圖：“九章”量子計算機原型圖源：中國科學(xué)院官網(wǎng)除九章和九章二號之外，2021年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所合作，構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實(shí)現了對“量子隨機線(xiàn)路取樣”任務(wù)的快速求解?！白鏇_之二號”的求解速度比全球最快的超級計算機快1000萬(wàn)倍以上，計算復雜度比谷歌的“懸鈴木”提高了6個(gè)數量級 。企業(yè)方面，兩家在量子計算專(zhuān)利數量上位列全球前十的企業(yè)——百度和本源量子所取得的成果也令人矚目。今年8月，百度發(fā)布超導量子計算機“乾始”和首個(gè)全平臺量子軟硬一體解決方案“量羲”，集量子硬件、量子軟件、量子應用于一體，提供移動(dòng)端、PC端、云端等在內的全平臺使用方式。本源量子在2021年9月10日發(fā)布的未來(lái)五年量子計算技術(shù)規劃路線(xiàn)圖顯示，到2025年，本源量子將突破1000位量子比特，達到1024位量子比特。來(lái)源：麻省理工科技評論
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