量子領(lǐng)域的“較量”

崔金泰

2016年8月16日，我國成功發(fā)射了世界上第一顆量子衛(wèi)星。在這之前，中國科技大學的量子實驗室成功研發(fā)出半導體量子芯片和量子存儲技術(shù)，宣告了我國對量子計算機的研究取得了突破性進展。而美國谷歌公司則宣稱，有望在2017年底前建成一臺完全可超越目前全球最好的超級計算機的量子計算機?？梢哉f，量子通信和量子計算機這兩項量子領(lǐng)域的前沿項目正在“比翼齊飛”;中、美兩個在量子領(lǐng)域研究中領(lǐng)先的國家也在開展一番“較量”。

量子衛(wèi)星與量子計算機“血脈相通”

“墨子”號量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，把量子實驗從地面搬上太空，從而構(gòu)建一個天地一體化的量子保密通信和科學實驗體系。這不僅會開創(chuàng)安全通信的新時代，還將促進量子計算機的研發(fā)。因為量子衛(wèi)星和量子計算機都要依靠量子傳輸這一關(guān)鍵技術(shù)進行信息傳輸，就像親哥倆“血脈相通”一樣。

量子衛(wèi)星之所以能保障通信安全可靠，是因為量子衛(wèi)星讓信息傳遞者和接收者交換令信息無法被破解的量子密鑰，而這個密鑰是利用量子的奇異特性實現(xiàn)的，它就是“量子糾纏”。

20世紀80年代初，法國科學家阿蘭·阿斯佩首次用實驗證實了“量子糾纏”現(xiàn)象的存在。這里所說的量子糾纏，是指在兩個處于“糾纏態(tài)”的微觀粒子中，無論它們相距多么遠，若對其中一個的特性進行任何修改，那么就像孫悟空和其分身“心有靈犀”一樣，都會立即在另一個粒子上出現(xiàn)反應并做出相應改變。利用這種特性產(chǎn)生的量子密鑰，就可以保證任何外人都無法破解通信密碼。因為量子密鑰一旦被截獲或被測試，其狀態(tài)就會立即發(fā)生改變。有人對此進行了形象的比喻：如果有人嘗試在信息傳輸中攔截，那就像碰到了肥皂泡，而肥皂

泡一碰就會破滅。

那么，天地之間是如何進行量子通信的呢？具體來說，先將量子信號從地面發(fā)射并穿透大氣層，衛(wèi)星接收到量子信號并按需要將其轉(zhuǎn)發(fā)到另一特定衛(wèi)星，即量子衛(wèi)星上;量子信號再從量子衛(wèi)星上穿入大氣層到達地球某個角落的指定接收地點。由于量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果在技術(shù)上能實現(xiàn)糾纏光子在穿入大氣層后仍然保持其糾纏特性，那么就可在量子衛(wèi)星幫助下實現(xiàn)全球化量子通信。

“墨子”號量子衛(wèi)星通過使用信息加密技術(shù)，使其可以在相距數(shù)千千米的通信者之間分發(fā)量子密鑰。這顆衛(wèi)星開始是在北京和烏魯木齊之間分發(fā)量子密鑰，然后還計劃向奧地利發(fā)送量子密鑰。它的預定目標是，在兩年內(nèi)利用衛(wèi)星建立一個可靠、不會被破解的通信網(wǎng)絡， 并為建立全球量子通信網(wǎng)絡奠定基礎(chǔ)。 在量子衛(wèi)星未發(fā)射之前，我國多家企業(yè)已將量子密鑰分發(fā)技術(shù)投入市場，并在銀行之間或政府機構(gòu)之間建立了這類網(wǎng)絡。但是這些光纖網(wǎng)絡只能在數(shù)十千米的距離內(nèi)發(fā)揮作用， 再遠就不行了。因為在地面?zhèn)鬏斝畔r，光子通過空氣和光纖時會被分散和吸收，從而對網(wǎng)絡的干擾較大。有了量子衛(wèi)星后，由于光子在太空中傳播幾乎沒有損耗，因而量子衛(wèi)星開展的量子通信實驗距離為1200千米，遠遠超過了陸地上300千米的最遠距離。

量子計算機顯露希望曙光

就在量子衛(wèi)星發(fā)射前不久，中國科技大學的量子實驗室成功研發(fā)出半導體量子芯片和量子存儲技術(shù)。眾所周知，量子芯片可視為量子計算機的大腦，有了它，計算機的邏輯運算和信息處理才成為可能;有了量子存儲技術(shù)，就能通過它實現(xiàn)超遠距離的量子傳輸。因此，這一關(guān)鍵性的技術(shù)突破無疑將令性能高超的量子計算機的問世顯露出希望的曙光。

說起量子計算機，人們可能會感到很深奧。這里需要先講講量子是什么？通俗地說，量子就是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是能量不可再分割的攜帶者。例如，光子是光能量的最小單元， 也稱光的微粒，不存在半個光子。量子有兩個特性，一個是前面所說的量子糾纏，利用它就可以遠距離同步傳遞不會被破解的信息;另一個是量子疊加，是指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。形象地說，就像著名的“薛定諤的貓”所描述的那樣：裝在盒子里的貓，在盒子未打開時，貓可能是活的也有可能是死的。這表明，量子的狀態(tài)隨機變化，兩種狀態(tài)可疊加存在，這就是量子疊加態(tài)。

世界上大多數(shù)科技發(fā)明的問世都歸因于社會發(fā)展的需要，量子計算機也不例外。20世紀80年代初，物理學家理查德·費曼從科研實踐中認識到，如果要用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學，那么微觀粒子數(shù)量越多，計算量就越大，也就越不可能實現(xiàn)模擬。因此，要模擬量子力學，就必須用和它原理相同的方式。從此開始，量子力學便和計算機科學聯(lián)系在一起。此后不久，科學家就提出了量子計算機的概念。量子計算機是一種遵循量子力學規(guī)律， 能進行高速運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。

世界許多科學家都在全力以赴地研制量子計算機。美國IBM公司和加拿大D-Wave公司通過不同的方式各自創(chuàng)造出了功能計算機，但這些計算機無法擴展量子比特（Qubits，即量子位），因而還不能稱為量子計算機。目前，大多數(shù)量子計算機的研制還都處于實驗階段，而谷歌公司力爭要在世界上第一個研制出量子計算機。

谷歌公司的最新研究成果表明，高性能量子計算機的開發(fā)難度比此前預期的要低。例如在某些計算方面，包含50個量子位的量子芯片已經(jīng)比傳統(tǒng)電子計算機在運算能力方面更強大，這更增加了人們研制量子計算機的信心。除谷歌外，美國微軟公司、IBM公司和我國阿

里巴巴公司都在進行量子計算機的相關(guān)研究，并取得了一定的成果。

本領(lǐng)超強的量子計算機

與傳統(tǒng)的電子計算機不同，量子計算機所用的量子計算是基于量子效應的新型計算方 式，其基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計算任務。

量子計算機之所以比傳統(tǒng)電子計算機本領(lǐng)更超強，主要是因為它使用的是可疊加的量子比特，即量子位。在處理數(shù)據(jù)時，量子位可以同時處于0和1兩個狀態(tài)，這是由量子疊加特性決定的。與其相對比，傳統(tǒng)電子計算機中的晶體管一次只能處于0或1的狀態(tài)。因此，如果要進行海量運算，量子計算機就有了無與倫比的優(yōu)勢。這是因為電子計算機只能按時間順序來處理數(shù)據(jù)，而量子計算機能做到超并行運算。具體來說，量子計算機的N個量子位可以同時存儲2N個數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量隨N呈指數(shù)增長。與此同時，量子計算機操作一次等效于電子計算機要進行2N次操作的效果，也就是說，一次運算完成了2N個數(shù)據(jù)的并行處理。這就是量子計算機具有超強本領(lǐng)的奧秘。

量子計算機一旦研制成功，無疑是一場現(xiàn)代科技領(lǐng)域的劃時代革命。這種新型超強計算機的出現(xiàn)，將把傳統(tǒng)電子計算機遠遠拋在后面。求一個300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前最好的超級計算機需要幾百年乃至上千年的時間來完成，而量子計算機可在以分秒計的時間內(nèi)得到結(jié)果;我國“天河二號”這樣的超級計算機需要100年才能處理的任務，一臺量子計算機只需0.01秒就能完成。

量子計算機的最大優(yōu)勢在于具有強大的運算能力，能模擬復雜的物理變化和化學反應過程。因此，量子計算機在太空探測、核爆炸模擬、密碼破譯、材料和藥物研制等領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢，有著廣闊的應用前景。

“量子霸權(quán)”爭奪戰(zhàn)

如同研制智能手機、智能汽車和無人機等熱門高端智能化產(chǎn)品一樣，在“孕育”量子計算機的過程中也存在競爭和較量。在研制量子計算機所取得的成果中，來自中、美兩國的研制團隊目前名列前茅。為了成為領(lǐng)跑者，谷歌公司宣布將在2017年底前完成量子計算機的研發(fā)工作。

早在2013年，谷歌公司就對D-Wave公司研制的所謂量子計算機進行了測試， 以便弄清它是如何改善搜索功能和人工智能的，從而為研制量子計算機做準備。2014年，谷歌公司招聘了加州大學知名物理學家約翰·馬丁內(nèi)斯，致力于研發(fā)計算機的超導量子位課題。2016年6月，谷歌公司發(fā)表論文介紹其研制的量子計算機模型。一個月后， 谷歌公司又發(fā)表一篇論文，將其研發(fā)計劃命名為“量子霸權(quán)”，并宣示了建造世界上第一臺超高性能量子計算機的愿景。這臺量子計算機的量子芯片將達到50個量子比特（量子位），運算速度超過傳

統(tǒng)電子計算機。同時，谷歌量子人工智能實驗室宣布，公司改進研制的D-Wave 2x量子計算機的運算速度將是傳統(tǒng)電子計算機的1億倍。

谷歌公司的論文和數(shù)據(jù)公布后，引起了科技界的質(zhì)疑和議論。一些專家評論說，傳統(tǒng)的電子計算機電路由基本的門來構(gòu)成，而標準的量子計算機也是由一系列邏輯門來構(gòu)成量子電路，進而實現(xiàn)各種運算功能。而谷歌公司研制的量子計算機根本就沒有量子計算機對應的門的概念，因而還不能稱為標準量子計算機。

有的專家認為，谷歌公司所說的量子芯片為50個量子比特的計算機就可稱為量子計算機，因為這種計算機在執(zhí)行某些運算時其運算速度能大幅超越傳統(tǒng)電子計算機。其實，這種說法是不確切的，要從量子比特本身來理解。通常，量子比特分為物理比特和邏輯比特。但物理比特不穩(wěn)定，比如現(xiàn)在有十余個物理比特，但很快就會消失掉。對此，不得不通過糾錯碼過程對十余個物理比特做冗余，最后生成一個邏輯比特，而邏輯比特有良好的容錯特性。因此，量子計算機要對傳統(tǒng)計算機有足夠多的優(yōu)勢，有效的邏輯比特數(shù)目至少大于30才行。

谷歌公司聲稱研制的量子計算機要完成50個量子比特的目標，但并未說明是物理比特還是邏輯比特。若就量子位的數(shù)量而言，已經(jīng)足以滿足要求了;但如果是物理比特，50個物理比特顯然距離標準量子計算機的要求甚遠。

總的來說， 要建造成真正的量子計算機有兩個基本要求：一個是量子邏輯門的精度足夠高，另一個是邏輯比特的數(shù)量足夠多。從這兩方面要求來看，谷歌公司已研制和將完成研發(fā)的量子計算機都達不到這些要求，無法被稱為標準量子計算機，只是針對特定課題的專用計算機。

現(xiàn)在來看我國研制量子計算機的進展情況。中國科技大學量子實驗室研發(fā)的氮化鎵半導體量子芯片的量子邏輯門的精度已達到90%，在糾錯碼的輔助下，能滿足容錯計算的精度要求;其邏輯比特數(shù)量已達3個，距離量子計算機30個以上的要求已在接近。由杜江峰院士帶領(lǐng)的研究團隊，已使量子邏輯門的精度更高，達到99.99%，而單比特門精度已滿足容錯計算的要求。

綜上所述， 在這場量子計算機的角逐和較量中， 誰能成為領(lǐng)跑者和稱雄者， 事實將會做出最好的回答。

【責任編輯】龐 云