量子計(jì)算機(jī)：未來的計(jì)算革命

連日來，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司一臺自命為“商用量子計(jì)算機(jī)”的“D-WaveⅡ”量子模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)頗為引人矚目。原來，為了一睹“D-WaveⅡ”量子計(jì)算機(jī)的真容，來自世界各地實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們紛紛拋出實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證“D-WaveⅡ”的性能，并讓它與傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行對比。

在對比實(shí)驗(yàn)中，有科學(xué)家注意到，D-Wave量子計(jì)算機(jī)在運(yùn)算中量子效應(yīng)持續(xù)時(shí)間只有幾十億分之一秒。中國科學(xué)院院士、量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦在接受記者采訪時(shí)說，量子效應(yīng)持續(xù)時(shí)間極短，從一個(gè)側(cè)面說明D-Wave并不是一臺真正的量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗皼]有體現(xiàn)出量子計(jì)算機(jī)并行運(yùn)算的優(yōu)勢”。

中科院物理研究所研究員劉伍明在接受記者采訪時(shí)則表示，雖然不排除D-Wave作為商業(yè)公司有吸引眼球之虞，但仍可以看出D-Wave正在量子計(jì)算機(jī)的道路上作著大膽的嘗試，這值得我們借鑒。

實(shí)際上，D-Wave公司“商用量子計(jì)算機(jī)”從落地那刻起就注定飽受科學(xué)家和媒體的熱切關(guān)注。人們不敢相信：量子計(jì)算機(jī)時(shí)代已經(jīng)到來了？

量子計(jì)算機(jī)的變革

郭光燦告訴記者，在量子世界，量子密碼是第一個(gè)可能走向應(yīng)用的方向，而對人類影響最大的當(dāng)屬量子計(jì)算機(jī)。

“在后摩爾定律時(shí)代，晶體管里面的電子數(shù)目越來越少，達(dá)到極限之后電子的行為就不能再用摩爾定律解釋了，變成量子行為了。”郭光燦指出，從經(jīng)典比特到量子比特，人類沿著這條路發(fā)展下去，將會“邂逅”量子芯片——“量子芯片構(gòu)成的計(jì)算機(jī)體系就是量子計(jì)算機(jī)”。

劉伍明也指出，經(jīng)典計(jì)算機(jī)正遇到摩爾定律的極限，而頂破天花板的正是量子計(jì)算?！氨热缢丫仁?lián)的馬航客機(jī)，并不是我們?？哲娝丫饶芰Σ粡?qiáng)，它挑戰(zhàn)了人類現(xiàn)階段的能力。如果我們有一臺強(qiáng)大到足以處理所有海面數(shù)據(jù)和航行數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，找到MH370并非難事?！?/p>

“傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)的處理是串行計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)是并行運(yùn)行，運(yùn)算速度呈指數(shù)上升，這是量子計(jì)算機(jī)最顯著的特征?！惫鉅N告訴記者，并行運(yùn)行有多快？“量子計(jì)算機(jī)之于傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的速度，就相當(dāng)于電子計(jì)算機(jī)之于算盤?！?“量子計(jì)算機(jī)可以做到現(xiàn)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)做不到的很多事情?！惫鉅N說，人類一旦制造出量子計(jì)算機(jī)，整個(gè)社會就會發(fā)生翻天覆地的變化。

郭光燦舉例說：“比如，我們可以把某種病毒體內(nèi)的各種成分分析得清清楚楚，這樣我們就可以制造針對性很強(qiáng)的藥物（對付病毒）；還可以在大量數(shù)據(jù)中分析出特定信息，比如某個(gè)罪犯身上的某個(gè)特點(diǎn)，在茫茫人海中篩選和搜尋，利用量子計(jì)算機(jī)，很快就能鎖定目標(biāo)。”

劉伍明告訴記者，不見得量子計(jì)算機(jī)一定會取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但人們的確可以利用量子計(jì)算機(jī)完成現(xiàn)階段不可能完成的任務(wù)。

“比如我們現(xiàn)在還不能預(yù)報(bào)地震，這其中的原因可能是有些科學(xué)問題在地震學(xué)上還沒有解決，但至少在數(shù)據(jù)處理上，例如汶川，如果投放幾百上千甚至更多地震觀測站，在很短時(shí)間內(nèi)根據(jù)觀測信息計(jì)算出地震的概率，就能給決策層提供一些線索。天氣預(yù)報(bào)也如此，我們只知道某地預(yù)計(jì)有雨雪，但我們并不確切知道是在何時(shí)、何地變天，精細(xì)預(yù)報(bào)就需要這種計(jì)算能力上的突破?！眲⑽槊髡f。

還差一“芯”

量子計(jì)算機(jī)的前景固然光明，但要真正實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，還要解決一系列的現(xiàn)實(shí)困境。

要真正做出來量子計(jì)算機(jī)，需要滿足三個(gè)基本條件：量子芯片、量子編碼和量子算法，它們分別是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理系統(tǒng)（即硬件）、確保計(jì)算可靠性的處理系統(tǒng)和提高運(yùn)算速度的關(guān)鍵（即軟件）。

量子計(jì)算本質(zhì)性地利用了量子力學(xué)的特性，因此其實(shí)際應(yīng)用的重要障礙是宏觀環(huán)境不可避免地破壞量子相干性（即所謂消相干問題），使量子計(jì)算機(jī)演變成經(jīng)典計(jì)算機(jī)。若不能有效地克服消相干，即使量子芯片（硬件）做成了，量子計(jì)算機(jī)也無法實(shí)際應(yīng)用。

“目前算法已經(jīng)有了大數(shù)分解的Shor算法和數(shù)據(jù)搜索的Grover算法，當(dāng)然以后還會有更多；編碼也很重要，它保障信息不會被破壞而出錯(cuò)，這一度很困擾我們，但是現(xiàn)在我們把這個(gè)問題解決了?！惫鉅N表示，在量子編碼出現(xiàn)以后，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)原則上已不存在不可逾越的困難，但量子芯片的突破尚有待時(shí)日。

“量子計(jì)算機(jī)首先要有硬件，新一代的D-WaveⅡ號稱有512個(gè)Qubit集成計(jì)算，據(jù)說采用的是超導(dǎo)量子比特方案。超導(dǎo)需要在極低溫下實(shí)現(xiàn)，那么能不能開發(fā)出新材料，比如高溫超導(dǎo)材料，像現(xiàn)在的半導(dǎo)體芯片一樣在室溫下就能使用？這需要一個(gè)探索過程?！眲⑽槊鹘榻B說，目前中科院物理所也在超導(dǎo)材料上作積極嘗試。

“用什么東西做量子芯片，做到什么程度？我認(rèn)為有1000~5000個(gè)量子處理器的芯片，電子計(jì)算機(jī)就望塵莫及了。”郭光燦說，但是要做到這個(gè)地步還很遠(yuǎn)，所以現(xiàn)在人們用很多辦法來嘗試，“現(xiàn)在比較看好的是離子阱方案、半導(dǎo)體量子點(diǎn)方案和超導(dǎo)的方案”。

郭光燦介紹說，離子阱方案是用一個(gè)離子做處理器，然后把很多離子放在“阱”里面，把受限離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)這樣一個(gè)兩能級體系作為量子比特。該方案可以達(dá)到很高的保真度，不過其微型化和集成化存在巨大的困難。

半導(dǎo)體量子點(diǎn)方案是一種“很自然”的方案，當(dāng)每個(gè)晶體管最終縮小到只容納一個(gè)電子時(shí)，稱之為單電子晶體管（量子點(diǎn)），此時(shí)可以用單個(gè)電子的自旋向上和向下態(tài)作為量子比特。郭光燦說，“半導(dǎo)體量子點(diǎn)芯片這一方案的優(yōu)勢在于完全繼承了現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和優(yōu)勢，因而在大規(guī)模集成化和最終應(yīng)用方面可行性更高”。

“但是要在納米領(lǐng)域操作一個(gè)電子的量子態(tài)很難，而要把量子態(tài)測量出來而不干擾（電子的量子態(tài)），更難?！惫鉅N說，不僅如此，“后續(xù)還要把這些儀器做到芯片里去，談何容易？這是它的難度所在?！?/p>

未來戰(zhàn)略制高點(diǎn)

國際芯片巨頭Intel公司曾在其處理器外包裝上打出這樣的字眼：Intel Core Quantum：Qubit Entangled，暗示“未來半導(dǎo)體芯片的核心將是量子芯片”。

“美國曾計(jì)劃在10年之內(nèi)做出10個(gè)量子比特的處理器芯片，這意味著屆時(shí)微電子平臺做量子芯片已經(jīng)靠譜了?！惫鉅N說，不僅美國，許多發(fā)達(dá)國家都意圖在量子計(jì)算機(jī)技術(shù)上搶占制高點(diǎn)。

劉伍明告訴記者，日本等國也加大了這方面的投入，不僅政府層面，一些大公司也在介入，例如日本著名的NEC株式會社。另外，微軟、IBM、貝爾實(shí)驗(yàn)室在量子計(jì)算機(jī)方面也都有大手筆投入。

“公司出資意味著，他們將之視為投資行為。他們會覺得這是能夠盈利的，而我國企業(yè)在高科技投入方面還比較少?！眲⑽槊髡f。

現(xiàn)實(shí)的情況是，由于我國在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片方面長期落后，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，計(jì)算機(jī)芯片主要依賴進(jìn)口，目前已位列所有進(jìn)口產(chǎn)品的第一位，受制于人。

“在后摩爾時(shí)代量子計(jì)算來臨的新的歷史機(jī)遇面前，我們必須掌握核‘芯’技術(shù)，在未來的量子計(jì)算時(shí)代擁有中國‘芯’，從現(xiàn)在起就應(yīng)該做好原始創(chuàng)新性、基礎(chǔ)性工作。”郭光燦說。