量子計算：一場接近“突破點”的競逐

　　5量子比特、10量子比特、50量子比特，一場你追我趕、爭相領(lǐng)先的激烈競逐近年來正在量子計算領(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)域的競爭進入關(guān)鍵階段。

　　聰者聽于無聲，明者見于未形

　　當魔幻般的理論在現(xiàn)實中推動進步，各國的科研實力體現(xiàn)無疑。

　　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(tǒng)計算機的光量子計算機，實現(xiàn)10個超導(dǎo)量子比特糾纏，在操縱質(zhì)量上也是全球領(lǐng)先。

　　從個位數(shù)到幾十量子比特的進展，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(yù)測的一樣，每18個月集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計算機的性能也相應(yīng)提升近一倍。但2005年后這種趨勢就開始放緩，極其微小的集成電路面臨散熱等問題考驗。

　　如果按這個趨勢繼續(xù)發(fā)展，當集成電路的尺寸接近原子級別的時候，電子的運動也不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，這個時候量子力學(xué)將起到主導(dǎo)作用。

　　上世紀80年代，科學(xué)家就已預(yù)言問題所在，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。

　　傳統(tǒng)計算機的基本數(shù)據(jù)單位是比特，而量子計算機以量子比特衡量。有觀點認為，如果量子計算機能有效操縱50個左右量子比特，能力即超過傳統(tǒng)計算機，實現(xiàn)了相對傳統(tǒng)計算機的“霸權(quán)”。這種“量子霸權(quán)”正是各科研機構(gòu)競相追逐的目標。

　　近來，科技巨頭紛紛宣布重要進展。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)沒有發(fā)布詳細性能報告，用詞離不了“原型”和“測試”，更沒有宣稱已經(jīng)實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

　　這是因為量子比特光有“數(shù)量”不夠，還得有“質(zhì)量”，即通過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月實現(xiàn)的10個超導(dǎo)量子比特糾纏，就是有“質(zhì)量”的量子比特，但離“量子霸權(quán)”還有相當距離。

　　“很顯然，建造量子計算機現(xiàn)在是一個世界范圍內(nèi)的競賽。”美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿倫森說。他認為，未來一年左右將可能有人贏得“量子霸權(quán)”競賽。

　　長風(fēng)破浪會有時，直掛云帆濟滄海

　　人類已進入一個能看到量子計算機將要“出生”的時間段。中國科學(xué)院院士、量子計算專家、圖靈獎獲得者姚期智說，這是“最后一公里”，但也是一個非常艱難的過程。

　　業(yè)內(nèi)專家指出，量子計算需要克服環(huán)境噪聲、比特錯誤和實現(xiàn)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(zhàn)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(xiàn)象。在微觀尺度上，一個量子比特可以同時處于多個狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)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(tǒng)計算機。美國谷歌公司等機構(gòu)在2015年宣布，它們的“D波”(D-Wave)量子模擬機對某些問題的求解速度已達到傳統(tǒng)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。

　　為加速進入量子計算機陣營，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驗室，一期總投資約70億元。

　　如果“量子霸權(quán)”實現(xiàn)，人類計算能力將迎來飛躍，接下來就會是在多個領(lǐng)域的推廣。一些行業(yè)巨頭已經(jīng)盯上了量子計算未來應(yīng)用：阿里巴巴建立了量子計算實驗室;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年前推出首個在金融領(lǐng)域的量子計算應(yīng)用。

　　更不用說在軍事、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(tǒng)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世紀的曼哈頓計劃相比。”著名量子科學(xué)家潘建偉院士說。也就是說，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(tǒng)、超導(dǎo)系統(tǒng)等多種量子計算技術(shù)路線上同時發(fā)展，希望在未來10年，實現(xiàn)上百量子比特的糾纏。

　　潘建偉曾用“筍”來比喻中國量子計算領(lǐng)域的發(fā)展。因為筍尖剛長出來時進展較為緩慢，一旦長起來便越來越快。他說中國的量子計算就如“春筍”，“我們的爆發(fā)式增長也已到了‘相變點’”。