未來已來!足以改變世界的量子計(jì)算機(jī)

我們用歷史來指導(dǎo)未來，而歷史是研究意外和變化的核心；但這不應(yīng)妨礙我們以更好地了解技術(shù)的未來為目標(biāo)：隨著未來到來，通過計(jì)劃獲得的知識(shí)對(duì)于選擇適當(dāng)?shù)男袆?dòng)至關(guān)重要。長期以來，量子計(jì)算機(jī)（Quantum Computer）被認(rèn)為是若干年之后才會(huì)實(shí)現(xiàn)的高新技術(shù)；但近年來，該技術(shù)呈現(xiàn)出新的趨勢，實(shí)現(xiàn)了從理論走向應(yīng)用，從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)變。

日前，中國科學(xué)院院士潘建偉教授在公開課演講上向公眾透露光量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展：已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光量子計(jì)算性能超過美國谷歌公司53比特量子計(jì)算機(jī)的100萬倍。他還透露：“我們剛剛完成了對(duì)50個(gè)光子的玻色取樣，相比谷歌的‘量子優(yōu)越性’大概可以快100萬倍。”所謂“量子優(yōu)越性”（quantum supremacy），是指量子計(jì)算機(jī)能達(dá)到50個(gè)量子比特，而谷歌的量子計(jì)算機(jī)在去年實(shí)現(xiàn)了53比特的量子機(jī)能。

所謂“量子計(jì)算機(jī)”，顧名思義便是利用量子力學(xué)的原理進(jìn)行計(jì)算的一種系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)能同時(shí)處理巨量信息，其運(yùn)行效率遠(yuǎn)超超級(jí)計(jì)算機(jī)。在當(dāng)前階段，量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為將會(huì)引導(dǎo)新一輪的技術(shù)革新，可謂是至關(guān)重要。量子計(jì)算機(jī)目前主要有兩種：光量子計(jì)算機(jī)和分子量子計(jì)算機(jī)。前者基于光學(xué)原理，后者基于化學(xué)原理。量子計(jì)算機(jī)有望解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)過于復(fù)雜的問題，并以新穎而強(qiáng)大的方式處理信息。

1982年，美國著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼教授提出了量子計(jì)算的概念，并指出以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)在處理特定問題時(shí)，具有遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力優(yōu)勢。這一概念提出后，引起了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并在90年代先后誕生了著名的Shor算法、Grover算法等，為后來量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展奠定了重要的理論基礎(chǔ)。量子計(jì)算是新形態(tài)的計(jì)算技術(shù)，速度比傳統(tǒng)的二進(jìn)制計(jì)算快上數(shù)億倍。

量子計(jì)算的主要原理就是利用了量子態(tài)的疊加性和糾纏性。比特作為計(jì)算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態(tài)，且在經(jīng)典計(jì)算模式只能處于0或1的一種，而量子比特卻能夠處于0和1的疊加態(tài)。換言之，每個(gè)經(jīng)典存儲(chǔ)器僅能存儲(chǔ)0或1其中一個(gè)，而量子存儲(chǔ)器卻能同時(shí)存儲(chǔ)0和1。因此，當(dāng)計(jì)算機(jī)有n個(gè)存儲(chǔ)器時(shí)，經(jīng)典計(jì)算模式每操作一次只能變化一個(gè)數(shù)據(jù)，而量子計(jì)算模式每操作一次則變化了2^n個(gè)數(shù)據(jù)，量子計(jì)算的數(shù)據(jù)處理能力是經(jīng)典模式的2^n倍。當(dāng)n足夠大時(shí)，量子計(jì)算的優(yōu)勢將十分明顯。

從可計(jì)算的問題來看，量子計(jì)算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能解決的問題，但是從計(jì)算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時(shí)速度要快于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)。量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力和更重要作用。因此，量子計(jì)算領(lǐng)域近年異常熱鬧，許多科研機(jī)構(gòu)都已進(jìn)軍量子計(jì)算領(lǐng)域。

2019年8月，中國量子計(jì)算研究獲重大進(jìn)展。浙江大學(xué)、中科院物理所、中科院自動(dòng)化所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等單位組成的研究團(tuán)隊(duì)通力合作，開發(fā)出具有20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控其實(shí)現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄。據(jù)介紹，多比特量子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備是衡量量子計(jì)算平臺(tái)控制能力的關(guān)鍵標(biāo)志。經(jīng)過兩年時(shí)間的器件設(shè)計(jì)與制備、實(shí)驗(yàn)測控及數(shù)據(jù)處理，由中國科學(xué)家組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功地將糾纏的量子比特?cái)?shù)目推進(jìn)到20。這見證了人類在量子計(jì)算的研究道路上又邁進(jìn)了一步。

據(jù)媒體報(bào)道，美國谷歌公司研究人員最近借助量子計(jì)算機(jī)，首次成功模擬了一個(gè)化學(xué)反應(yīng)。他們表示，盡管這一反應(yīng)很簡單，但卻是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没闹匾徊?。量子?jì)算機(jī)模擬化學(xué)分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計(jì)算技術(shù)的公司也在研究，微軟就是其中一員。今年7月，微軟發(fā)表了一篇文章，用量子計(jì)算幫助化學(xué)家尋找催化劑，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醛。展示了量子計(jì)算與化學(xué)結(jié)合的應(yīng)用前景。未來可以將這種算法擴(kuò)大規(guī)模，來模擬更復(fù)雜的反應(yīng)。而要模擬更大分子的反應(yīng)，還需要更多的量子比特。

量子計(jì)算可分為通用量子計(jì)算和專用量子計(jì)算兩大類，前者具有通用性能夠解決各類計(jì)算難題，后者則是專門針對(duì)某類計(jì)算難題。目前，科研學(xué)術(shù)主要集中于專用量子計(jì)算領(lǐng)域，如加拿大量子計(jì)算公司D-Wave在2011年推出世界上第一臺(tái)專用量子計(jì)算機(jī)的工作模型機(jī)D-Wave one；該機(jī)包含128量子比特和2.4萬個(gè)約瑟夫森結(jié)，目前已被用于先進(jìn)武器設(shè)計(jì)和雷達(dá)開發(fā)測試等領(lǐng)域，從而使距離量子計(jì)算機(jī)的夢想近了一大步。

科學(xué)計(jì)算離不開計(jì)算機(jī)，但它更離不開計(jì)算方法。中國著名學(xué)者周海中教授曾經(jīng)說過：“計(jì)算不僅是數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)技能，而且是整個(gè)科學(xué)的基本工具?！焙翢o疑問，作為一種有用的計(jì)算工具和新型的計(jì)算方法，量子計(jì)算機(jī)將在各學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，并給未來世界帶來巨變。

文/李陽（作者單位：丹麥技術(shù)大學(xué)信息技術(shù)和數(shù)學(xué)建模系）