量子計算機有多神奇？

龍學(xué)鋒

20世紀(jì)80年代初，美國物理學(xué)家費曼提出量子計算機的概念，但30多年來，量子計算這一革命性技術(shù)，似乎總是遙不可及。而如今，事情有了轉(zhuǎn)機。2017年5月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉在上海宣布，由該校主導(dǎo)研制的世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機誕生。實驗測試表明，該量子計算機的取樣速度比國際同行類似的實驗加快至少2.4萬倍，比人類歷史上首臺電子管計算機和首臺晶體管計算機運行速度快10～100倍，創(chuàng)造世界紀(jì)錄?？茖W(xué)家認(rèn)為，量子計算機會成為未來科技的引擎，是打開無限可能性的鑰匙。

量子計算機的原理

所謂量子，是指構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元。人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

量子有一種特性，決定著它具有超快的計算能力，這種特性就是“量子疊加”。 這是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別——著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個佯謬。在經(jīng)典世界里，貓要么是活的，要么是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上。

有了這種疊加的“天性”，量子計算也就具備了并行的能力，即可以實現(xiàn)同步計算。按照科學(xué)家的說法，經(jīng)典計算機在二進制算法中只能“非此即彼”：要么是0，要么是1。但量子計算機卻擁有了“0和1同時存在”的能力。

一個經(jīng)典比特（如由幾百萬個電子組成的高電平和低電平狀態(tài)）每次只能處于“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)中的一個，而一個量子狀態(tài)可以同時處于“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)。當(dāng)可操縱的量子數(shù)量增多，其計算能力就會呈指數(shù)級上升。

指數(shù)級上升的威力有多大？有個棋盤麥粒的經(jīng)典故事很能說明問題。在印度有一個古老的傳說：舍罕王打算獎賞國際象棋的發(fā)明人——宰相西薩·班·達依爾。國王問他想要什么，他對國王說：“陛下，請您在這張棋盤的第一個小格里，賞給我1粒麥子，在第二個小格里給2粒，第三個小格給4粒，以后每一小格都比前一小格加1倍。請您把這樣擺滿棋盤上所有的64格的麥粒，都賞給您的仆人吧！”國王覺得這要求太容易滿足了，就命人給他這些麥粒。當(dāng)人們把一袋一袋的麥子搬來開始計數(shù)時，國王才發(fā)現(xiàn)：就是把全印度甚至全世界的麥粒全拿來，也滿足不了那位宰相的要求——如果1秒鐘數(shù)2顆麥粒，要花費上億年才能數(shù)完。

同樣的道理，如果量子計算機的計算能力也呈現(xiàn)指數(shù)級的增長，那么一些經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題將“迎刃而解”。以大數(shù)因數(shù)分解為例，經(jīng)典計算機分解300位的大數(shù)需要15萬年，萬億次量子計算機分解這個大數(shù)，則僅需1秒鐘。

量子計算機與普通計算機有何不同？

人們之所以對量子計算機充滿期待，和傳統(tǒng)計算機遭遇的種種問題不無關(guān)系：近年來，傳統(tǒng)計算機逐漸遭遇功耗瓶頸、通信瓶頸等一系列問題，其性能增長越來越困難，探索全新物理原理的高性能計算技術(shù)的需求應(yīng)運而生。

量子計算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的并行計算和模擬能力，計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。舉個例子，使用億億次的“天河”二號超級計算機求解一個億億億變量方程組，所需時間為100年，而使用一臺萬億次量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

再打個形象的比方，目前我們常用的經(jīng)典計算機，在提取某個需要解決的問題時，需要把所有可能性列舉并驗證一遍，才能“找到”正確的信息，這相當(dāng)于一個擁有雙手的人，一個時間段只能做一件事情；而量子并行計算能夠直接計算并提取出相應(yīng)信息，相當(dāng)于一個擁有2的N次方雙手的千手觀音，可以同時做2的N次方雙手可以做的事情。

想象一下，你被要求5分鐘內(nèi)在一個大型圖書館某一本書的某頁上找到一個字母“X”，這幾乎是不可能的，因為那里有幾千萬冊書。但是如果你處于幾千萬個平行現(xiàn)實中，每個現(xiàn)實都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個現(xiàn)實中找到這個“X”。在這個假設(shè)中，普通計算機就是像瘋子一樣的那個你，需要5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計算機卻能將你復(fù)制出幾千萬個，每個只需翻找一本書即可。

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量子計算機是否可以完全取代經(jīng)典計算機？

量子計算機無法完全取代經(jīng)典計算機。量子計算機和經(jīng)典計算機的區(qū)別更像是激光和白熾燈，我們不會用激光代替白熾燈照明，但是激光在高科技領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。在可預(yù)見的將來，量子計算機并不會替代人們桌上的電腦和口袋里的手機，它更不是用來玩網(wǎng)絡(luò)游戲和發(fā)微信的。量子計算機實際上是用來處理一些經(jīng)典計算機無法處理的老大難問題。

中國的量子計算機

中國研制成功的這臺光量子計算機，是利用了光量子本身是玻色子的特性，直接在光路上用10個光量子模擬了玻色子采樣問題。它在這個問題上的計算速度已經(jīng)超越了早期的經(jīng)典計算機（比歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10～100倍）。

作為量子計算的技術(shù)制高點，多粒子糾纏的操縱一直是世界角逐的焦點。 此前，美國加州理工學(xué)院的物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾提到了一個詞，叫“量子稱霸”，大意是說，當(dāng)量子計算機擁有5～20個量子比特時，能完成頂級超級計算機所能完成的事情，而一旦擁有超過49個左右量子比特后，量子計算機的能力將讓超級計算機望塵莫及。

中國研究團隊打破了由美國保持的9個量子比特操縱紀(jì)錄，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測量。這臺光量子計算機的誕生，標(biāo)志著我國在基于光子的量子計算機研究方面取得突破性進展，為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典計算能力的量子計算奠定了堅實基礎(chǔ)。中國研究團隊接下來的目標(biāo)是在2017年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，并致力于20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計、制備和測試。那時，量子計算機的計算速度將接近目前最好的商用中央處理器。到2020年，希望能夠達到50個左右量子比特的操縱，屆時有可能在處理某些問題上超越超級計算機。潘建偉表示，未來十年之內(nèi)，科學(xué)界很有可能做到100量子比特的操縱，屆時，其計算能力可能比目前最強大的超級計算機還要快百億億倍。

量子計算機將顛覆你未來的生活

量子計算機概念的提出者費曼曾說過：“如果你自以為已經(jīng)理解了量子物理學(xué)，實際上你并未真正理解它?！逼胀ㄓ嬎銠C只能按照時間順序一個個地解決問題，而量子計算機卻可以同時并行解決多個問題。這種超快速度可能徹底改變所有行業(yè)。

量子計算機最大的優(yōu)勢莫過于大幅縮短提取用戶所需信息的時間，因此它被認(rèn)為可以在幾天里解決傳統(tǒng)計算機會花費數(shù)百萬年時間才能處理的數(shù)據(jù)，未來的應(yīng)用前景十分令人神往。

提供更為精準(zhǔn)的天氣預(yù)報

現(xiàn)在的天氣預(yù)報大多是基于探測數(shù)據(jù)的推測，很難保證準(zhǔn)確。但量子計算機可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準(zhǔn)地顯示惡劣天氣會在何時何地出現(xiàn)。我們可以提前預(yù)測颶風(fēng)等極端天氣，從而預(yù)留足夠的時間拯救生命。

開發(fā)更高效的藥物

開發(fā)一種新藥是非常復(fù)雜的過程?；瘜W(xué)家需要進行無數(shù)不同分子組合方式實驗，以找到可真正有效治愈疾病的藥物。這一過程可能需要數(shù)年時間，耗費數(shù)千萬元資金。但化學(xué)家將這些組合進行后期實驗時，依然會有很多組合失敗。而量子計算機可以繪制出數(shù)以萬億計的分子組合模式，并迅速確定最有可能生效的組合，這將大大節(jié)省研發(fā)成本和藥物研發(fā)時間。與我們當(dāng)前所用方式相比，量子計算機為人類基因分析排序的速度也更快，這將有助于研發(fā)個性化藥物和醫(yī)療保健方式。

交通擁堵將成為歷史

量子計算機可以簡化空中和地面交通控制的工作量，因為它們善于迅速計算出最佳路線。如果你計劃公路旅行，期間要在10個不同的地方停留，普通計算機可能需要單獨計算所有可能路線的長度，然后篩選出最佳路線。而量子計算機可以同時計算所有路線的長度，并以更快的速度篩選出最佳路線。

使用量子計算機對空中交通模式進行復(fù)雜分析，意味著可進行更高效的飛行調(diào)度，并節(jié)省出行所需時間，因為我們可以更好地避免機場飛機起飛和著陸造成的瓶頸。同樣的技術(shù)也可被應(yīng)用到高速公路和復(fù)雜城市公路網(wǎng)中，以避免擁堵。

可加強軍事和國防

衛(wèi)星不斷收集大量照片和視頻資料。任何人都不可能搜遍和分析如此多的數(shù)據(jù)，因此很多數(shù)據(jù)只是被扔在一邊。在某些被丟棄的數(shù)據(jù)中，我們可能錯過關(guān)鍵情報。但量子計算機卻能以比普通電腦或人類快得多的速度篩選大量數(shù)據(jù)，并向我們提供哪些照片或視頻應(yīng)該做進一步分析，哪些可以忽略掉。

此外，量子計算機還可以用來設(shè)計新型武器，制定新的作戰(zhàn)戰(zhàn)略。首先制造出量子計算機的國家可以讓它的軍用機器人更快地做出決定，更準(zhǔn)確地采取行動，對付更多目標(biāo)，更好地監(jiān)視整個戰(zhàn)場，比敵方機器人“棋高一招”——這將意味著勝利。

安全的加密通信

無論我們自己是否意識到，我們實際上一直都在使用加密技術(shù)。當(dāng)我們查看電子郵件或使用信用卡網(wǎng)上購物時，我們都非常依賴加密技術(shù)。通過使用與量子計算機類似的怪異量子力學(xué)特性，加密技術(shù)將變得更加安全。這種超級安全通信被稱為“量子密鑰分配”，它允許某人發(fā)送信息給其他人，而只有使用量子密鑰解密后才能閱讀信息。如果第三方攔截到密鑰，鑒于量子力學(xué)的怪異魔力，信息會變得毫無用處，也沒人能夠再讀取它。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算，更安全的量子通信也應(yīng)運而生。隨著“墨子”號發(fā)射升空，我國在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。按照規(guī)劃，未來還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星。到2030年左右，建成一個全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。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題。目前，量子保密通信已逐步進入產(chǎn)業(yè)化階段，成為未來保障信息安全的“護衛(wèi)艦”。

加速太空探索

利用開普勒太空望遠鏡，天文學(xué)家已經(jīng)在太陽系外發(fā)現(xiàn)近2000顆系外行星。開普勒的任務(wù)還包括盯緊這些行星，等待它們從宿主恒星前面通過。屆時，天文學(xué)家可分析和預(yù)測這些行星上的大氣狀況，以及它們是否適合生命生存。量子計算機可應(yīng)付太空望遠鏡獲得的更多數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)更多系外行星，幫助迅速確認(rèn)哪些行星最有可能適合生命生存。量子計算機甚至能夠發(fā)現(xiàn)開普勒望遠鏡錯過的系外行星。

人工智能

量子計算機可以為人工智能的進化學(xué)習(xí)帶來一個飛躍和提升，它可以讓機器學(xué)習(xí)變得更為高效。比如它可以讓沃森一樣的人工智能形態(tài)提前具備多項的邏輯分析能力，再比如它可以通過自我糾錯功能自主糾正程序中出現(xiàn)的亂碼以及出現(xiàn)在機器人身上的惡意程序代碼等。量子計算機功能的持續(xù)改善還可能促使半自動車輛和其他先進人工智能誕生。

量子計算機普及仍面臨諸多難題

既然量子計算機已經(jīng)研制成功，那它離普及還有多遠呢？量子計算機的運行要符合三個條件：真空環(huán)境、絕對低溫和磁場保護。

量子力學(xué)是研究微觀尺度的科學(xué)，要想控制計算機的量子位，其實就是需要操縱單個原子，因此條件非?？量獭Ｔ釉诔叵碌乃俣雀哌_數(shù)百米每秒，只有讓原子保持在極低的溫度狀態(tài)，才能受控制。所以中國研制的這臺量子計算機處理器溫度一直穩(wěn)定在-273℃，只比絕對零度高0.15℃而已。

除了對環(huán)境要求嚴(yán)格，量子計算機在實際落地推廣方面也會遇到一些障礙。由于量子計算機的計算方法完全不同，因此編程的方式也完全不同并且更加復(fù)雜。這意味著，對于程序員來說，要掌握一套比現(xiàn)有算法更為復(fù)雜的編程方式。

當(dāng)然，計算機還有許多需要克服的技術(shù)問題，比如量子的不穩(wěn)定性決定信息狀態(tài)不穩(wěn)定，這將影響到計算的準(zhǔn)確性。

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量子應(yīng)用大事記：

1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出“量子計算機”的概念。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾證明量子計算機能夠完成對數(shù)運算，且速度遠勝傳統(tǒng)計算機。

1997年，科學(xué)家首次用一對糾纏光子實現(xiàn)了量子信息傳輸。

2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計算機。

2007年，維也納大學(xué)的安東·齊林格和他的同事們用一對糾纏光子在加那利群島的兩個島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過了143千米。

2010年1月，美國哈佛大學(xué)和澳大利亞昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計算機準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國于利希研究中心發(fā)表公報：該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機。

2010年，中國科大—清華大學(xué)聯(lián)合小組成功實現(xiàn)了當(dāng)時世界上最遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，傳輸距離達16千米。

2012年3月，IBM做到了在減少基本運算誤差的同時，保持量子比特的量子機械特性完整性。

2016年8月，我國自主研制的世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子”號成功升空。

【責(zé)任編輯】蒲 暉