量子計算：信息社會的未來

近年來，量子科技，特別是量子計算的研究呈加速發(fā)展的態(tài)勢。包括中國在內的四十多個國家制定了量子規(guī)劃，量子科技前沿競爭在不斷升溫。 二十世紀初，以普朗克、愛因斯坦、玻爾為代表的一群科學先驅，共同努力，建立了量子力學這個人類迄今為止最基本、最深奧的科學理論體系。這是一項劃時代的科學革命，奠定了現代信息技術發(fā)展的科學基礎，也必將成為未來量子信息技術革命的科學源泉。

從二十世紀五十年代開始，以半導體、激光、磁存儲為代表的量子材料和量子效應的廣泛應用，推動了當代信息社會的發(fā)展，成就了造福人類的第一次量子技術革命。但這次技術革命還只是被動認識和利用量子現象來實現科學和技術的創(chuàng)新，對量子材料和量子效應的操控依然是經典的，沒有用到量子相干性這個量子最本質的特性。

要展示量子的特性，釋放量子的潛力，就必須通過主動操控量子態(tài)，在保持其相干性的前提下，實現對量子態(tài)的精確控制。一旦做到了這一點，我們將實現量子技術的第二次革命，人類也將正式步入量子信息時代。

所謂量子計算，就是按照既定的算法和程序，對量子態(tài)進行操控和測量的過程。量子態(tài)的演化過程，對應的就是一個量子計算過程。量子計算是量子信息技術的核心。沒有量子計算，量子技術其他領域的發(fā)展，不足以動搖現有信息技術的根基。

我們現在用的經典計算機的算力，粗略講與半導體芯片的集成度(也就是單位面積上芯片可容納的晶體管或比特數)成正比。一般講，增加一倍的算力，大約需要增加一倍的集成度。在過去的幾十年，經典計算機的集成度，或計算能力，大約每18個月增加一倍，這就是著名的摩爾定律。

與經典計算機不同，量子計算機的算力隨量子比特的數目不是線性增加，而是指數增加的。也就是說，每增加一個量子比特，量子計算機的算力就可增加一倍。這就是量子計算對信息處理的指數加速作用，是經典計算機可望而不可及的神話。這種指數加速作用一旦在技術上得以實現，必將帶來信息處理的革命性變革。

但是，在目前階段，實驗室能夠制備的量子比特的退相干時間不夠長，操控的精度也有限，還遠未達到要實現量子計算指數加速的要求。

量子計算的想法，開始于解決物理和化學中出現的量子多體問題的需要，上世紀八十年代初由本尼奧夫、曼寧和費曼三位科學家獨立提出。但是，量子計算不僅能解決量子科學研究中的問題，也能解決所有與信息處理相關的工程、技術及應用問題。從人工智能、破譯密碼、生物制藥、化學合成、物流及交通控制、天氣預報、數據搜索、材料基因，到金融穩(wěn)定與安全，但凡需要數據處理與計算的地方，都是量子計算可以發(fā)揮作用的領域?？梢灶A期，隨著量子計算機的發(fā)展，量子信息技術的觸角將會深入到信息處理的每一個角落。

量子是微觀粒子，包括電子、原子、分子等，的基本運動形式。量子現象存在于比我們人眼能看到的宏觀世界至少小6個量級的微觀世界。主動操控量子態(tài)之所以難，是因為我們操控微觀量子態(tài)的手段是宏觀的。用宏觀手段操控微觀量子系統(tǒng)，還要保證其量子相干性，就像是讓一頭大象在細鋼絲上跳舞，既不能掉下去，還不能讓鋼絲斷掉。這是量子計算研究面臨的最大困難，也是當前科學挑戰(zhàn)的最高級。

量子計算技術發(fā)展有“四高”——高門檻、高投入、高風險、高回報，是一個國家的高層次人才隊伍、科技和經濟發(fā)展水平和實力的綜合檢驗。當前，量子計算技術研究還處于起步階段，發(fā)展路線和方式，甚至發(fā)展目標，都存在不確定性，研發(fā)投入存在風險不可避免。但是，量子計算能給人類帶來的回報是巨大的：從原理上講，如果實現了量子計算的指數加速作用，一臺100個容錯量子比特的量子計算機的算力，就可超越目前世界上所有計算機的算力之和。

從上世紀八十年代開始，量子計算經過了基本物理思想和初級原理的驗證，現在進入了所謂的“中等規(guī)模帶噪聲的量子計算時代”。“中等規(guī)?！笔侵脯F在能比較可靠操控的量子比特數大約在幾十到幾千的水平；“帶噪聲”指的是對量子比特的門操作有一定的誤差，量子態(tài)的讀取也存在一定錯誤，還無法實現精確的量子計算。這是量子計算技術發(fā)展必然要經過的一個階段，也是量子計算各種路線探索和人才積累的關鍵階段。

在“中等規(guī)模帶噪聲的量子計算”時代，量子計算的應用與產業(yè)化已經開始，并已成為國際大企業(yè)大公司展示實力、布局未來的新戰(zhàn)場。造成這種激烈競爭局面的背后邏輯非常簡單：失去量子計算的控制權，就可能失去未來信息社會的話語權。同時，產業(yè)化也為量子計算研究注入了新的活力，加速了量子計算的發(fā)展。

生態(tài)建設是量子計算軟硬件人才培養(yǎng)和大規(guī)模應用的必要條件，量子云平臺的建設則是生態(tài)建設的一個重要手段，其水平反映了一個國家在制備和穩(wěn)定操控量子芯片、研發(fā)量子算法和軟件、實現高效量子計算的綜合實力。

量子計算未來的發(fā)展趨勢，主要在三個方面：一是規(guī)?；斍傲孔佑嬎隳鼙容^可靠操控的量子比特數大約在100個量子比特左右，今后將逐漸達到幾千、幾萬、幾十萬、幾百萬甚至更高的水平。二是容錯化，量子計算需要很多量子比特，但更需要制備出相干時間可以任意長、錯誤率小于糾錯閾值的所謂容錯的邏輯量子比特。三是集成化，目的是實現對大量量子比特及其測控系統(tǒng)集成和小型化，是降低量子計算機的研發(fā)成本、實現量子計算機廣泛應用的前提。

如果對未來做一個展望的話，樂觀地估計，十到二十年之后，高質量制備和操控的量子比特數將達到上萬個，在這個基礎上，通過對大量量子比特的不斷糾錯，有望制備出一個能容錯的邏輯量子比特；再過十到二十年，有希望實現對多個邏輯量子比特和普適邏輯門的相干操控，并且在這樣的基礎上，制造出普適的量子計算機。到那時，量子信息技術及應用將進入全面高速發(fā)展階段，也將成為人類征服自然的一個新的里程碑！

審核編輯 ：李倩