量子時(shí)代的探尋與追問(wèn)

陳芳+董瑞豐+周琳+徐海濤

“量子計(jì)算機(jī)就像初生的嬰兒，未來(lái)最終會(huì)長(zhǎng)成什么樣子，對(duì)整個(gè)科學(xué)界還是個(gè)未知數(shù)”

世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)5月3日在上海亮相，十個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏首次成功實(shí)現(xiàn)，中國(guó)科學(xué)家再次站在了創(chuàng)新的前沿。

一個(gè)世紀(jì)前，那場(chǎng)關(guān)于“上帝到底擲不擲骰子”的愛(ài)因斯坦-玻爾論戰(zhàn)，為人類開(kāi)啟了量子世界之門;進(jìn)入21世紀(jì)，量子通信、量子計(jì)算等核心技術(shù)飛速發(fā)展，一場(chǎng)新的量子革命正在到來(lái)。

微觀世界的運(yùn)行，遠(yuǎn)比人類想象得更神秘。世界首顆量子通信衛(wèi)星、十光子糾纏、天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)……中國(guó)“量子人”一系列突破性進(jìn)展，在量子革命的發(fā)展史上，標(biāo)注下新的印記。

未來(lái)將秒殺超級(jí)計(jì)算機(jī)

芯片越來(lái)越小，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)未來(lái)必將遭遇計(jì)算極限。求解一個(gè)億億億變量（10的24次方）的方程組，利用目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)，大約需要100年。面對(duì)類似這樣的大規(guī)模計(jì)算難題，如果借助萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需0.01秒。

全新的量子計(jì)算機(jī)利用量子特有的“疊加狀態(tài)”，以采取并行計(jì)算的方式，讓速度以指數(shù)量級(jí)地提升。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士和陸朝陽(yáng)教授等研制的光量子計(jì)算機(jī)，已經(jīng)比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10倍至100倍。

據(jù)介紹，關(guān)于量子計(jì)算研究的系列成果已經(jīng)發(fā)表于《自然·光子學(xué)》等國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊?！斑@意味著，中國(guó)科學(xué)家研制出了量子計(jì)算領(lǐng)域的埃尼亞克（第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)ENIAC）?！薄蹲匀弧す庾訉W(xué)》的審稿人表示。

潘建偉說(shuō)，在量子計(jì)算基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，就計(jì)算能力而言，科學(xué)界有三個(gè)達(dá)成共識(shí)的指標(biāo)性節(jié)點(diǎn)：第一步超越首臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，第二步超越商用CPU，第三步超越超級(jí)計(jì)算機(jī)?！澳壳拔覀儗?shí)現(xiàn)的只是其中的第一步，但這一小步卻是重要的一步?！?/p>

陸朝陽(yáng)表示，預(yù)計(jì)年底可以實(shí)現(xiàn)操縱20個(gè)量子比特、達(dá)到目前商用CPU水平;到2020年，有望實(shí)現(xiàn)操縱45個(gè)量子比特的目標(biāo)，向經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力發(fā)起挑戰(zhàn)。

全球角力

由于量子計(jì)算有巨大潛在價(jià)值，歐美各國(guó)都在積極整合各方面研究力量和資源，開(kāi)展協(xié)同攻關(guān)，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強(qiáng)勢(shì)介入量子計(jì)算研究。

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院的信息顯示，國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)于量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，集中于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路這三個(gè)研究體系。其中，在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持國(guó)際領(lǐng)先水平，其“多光子糾纏及干涉度量”項(xiàng)目獲得2015年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

“最快帶來(lái)實(shí)際價(jià)值的體系是超冷原子量子模擬，將來(lái)很可能集成化的是超導(dǎo)量子計(jì)算，谷歌、IBM都在投入大量資源，積極布局。”潘建偉說(shuō)。

2015年，谷歌、美國(guó)航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。此次，潘建偉及其同事朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，首次實(shí)現(xiàn)10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，在基于超導(dǎo)體系的量子計(jì)算機(jī)研究方面取得突破性進(jìn)展。

不過(guò)，由于高精度量子操控技術(shù)的極端復(fù)雜性，目前對(duì)其的研究仍處在早期發(fā)展階段。“量子計(jì)算機(jī)就像初生的嬰兒，未來(lái)最終會(huì)長(zhǎng)成什么樣子，對(duì)整個(gè)科學(xué)界還是個(gè)未知數(shù)?！迸私▊フf(shuō)。

10年內(nèi)專用量子計(jì)算機(jī)有望“實(shí)用化”

自誕生以來(lái)，量子力學(xué)就一直在催生眾多重大發(fā)明，包括原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛(wèi)星定位等。量子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，有助于解決現(xiàn)有計(jì)算機(jī)也難以解決的問(wèn)題。

“10年內(nèi)，超導(dǎo)量子操縱有可能做到100個(gè)粒子。到那時(shí)，它對(duì)某些特定問(wèn)題的計(jì)算能力就可以達(dá)到目前全世界所有計(jì)算能力之和的100萬(wàn)倍，計(jì)算能力將會(huì)突飛猛進(jìn)。”潘建偉說(shuō)，此外量子計(jì)算機(jī)能耗更低。

專家認(rèn)為，計(jì)算能力極限的大幅提升，意味著量子計(jì)算機(jī)可以分析更多數(shù)據(jù)。比如，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)，躲避颶風(fēng)海嘯;計(jì)算優(yōu)化的出行線路，讓城市減少堵車;識(shí)別有效的分子組合，降低藥物的研發(fā)成本和周期;甚至可以用于探索太空，較快辨別可能存有生命體的行星。

潘建偉預(yù)測(cè)，造出“專用”量子計(jì)算機(jī)，在求解材料設(shè)計(jì)、化學(xué)研究、物理研究等方面特別需要、特別有用的問(wèn)題上超越“超級(jí)計(jì)算機(jī)”，有望在10年內(nèi)出現(xiàn)，最終還將拓展到量子人工智能領(lǐng)域。

信息安全的“護(hù)衛(wèi)艦”

當(dāng)前，信息科技日益走向智能化，量子不僅可以用于量子計(jì)算，更安全的量子通信也應(yīng)運(yùn)而生。

隨著“墨子號(hào)”發(fā)射升空，我國(guó)在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。按照規(guī)劃，未來(lái)還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星。到2030年左右，建成一個(gè)全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

潘建偉說(shuō)，量子通信可以從原理上確保身份認(rèn)證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等的安全性，從根本上解決信息安全問(wèn)題。目前，量子保密通信已逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，成為未來(lái)保障信息安全的“護(hù)衛(wèi)艦”。

本刊記者了解到，對(duì)于量子時(shí)代的科學(xué)應(yīng)用，中國(guó)“量子人”團(tuán)隊(duì)有著明確的科研路線圖：通過(guò)量子通信研究，從初步實(shí)現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實(shí)現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò);通過(guò)量子計(jì)算研究，為大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代信息的有效挖掘;通過(guò)量子精密測(cè)量研究，實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等。

到2030年，或許人人家里都有一個(gè)“密鑰機(jī)”;新的量子材料可以改變電池技術(shù)，成百倍地?cái)U(kuò)大電池容量……面對(duì)變幻莫測(cè)的量子世界，從“被動(dòng)觀測(cè)”邁入“主動(dòng)調(diào)控”，人們期待著量子科技開(kāi)啟更美好的未來(lái)。