光量子計(jì)算機(jī)，“中國造”不亞于核武器

庫叔

這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算這一國際學(xué)術(shù)界稱之為“量子稱霸”的目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)，這屬于中國人為世界科技進(jìn)步添磚加瓦的關(guān)鍵一步！

突破

最近，中國科技界真可謂捷報(bào)連連，首個貨運(yùn)飛船“天舟一號”成功升空，首艘國產(chǎn)航母順利下水，自主研制的水陸兩棲飛機(jī)AG600以及中型客機(jī)C919也在摩拳擦掌地等待各自的首秀，中國科技實(shí)現(xiàn)了一個個華麗轉(zhuǎn)身，這緊密的節(jié)奏也是讓國人興奮得喘不過氣來。

5月3日，又一顆重磅消息橫空砸來：世界上第一臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)誕生！

這個早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)指的就是“二戰(zhàn)”期間誕生于美國的世界上第一臺通用計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”（Eniac），僅僅時隔70多年，“埃尼阿克”就遇到了誕生于中國的這個全新“對手”所帶來的巨大挑戰(zhàn)！

更令人振奮的是，這個“世界首臺”是貨真價(jià)實(shí)的“中國造”，屬中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組攻關(guān)突破的成果。他們在基于光子和超導(dǎo)體系的量子計(jì)算機(jī)研究方面都取得了突破性進(jìn)展，這次也一共發(fā)布了兩個量子計(jì)算機(jī)的原型，一種基于光學(xué)，一個基于超導(dǎo)，該系列成果已經(jīng)發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然光子學(xué)》和《物理評論快報(bào)》上。潘建偉教授也正是去年對我國自主研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”成功升空做出巨大貢獻(xiàn)的“量子衛(wèi)星之父”。

先說光學(xué)體系，研究團(tuán)隊(duì)在去年首次實(shí)現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)。

潘建偉介紹，根據(jù)測試，我國研制的量子原型機(jī)的“玻色取樣”速度比國際第二名進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)的速度整整快了24000倍！

再說超導(dǎo)體系，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目（10個）超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法，打破了之前由谷歌、NASA和UCSB等一系列美國大牛聯(lián)合研制的9個超導(dǎo)量子比特的操縱。

也就是說，中國的量子計(jì)算機(jī)無論是在光學(xué)體系還是超導(dǎo)體系都實(shí)現(xiàn)了巨大突破，光量子計(jì)算機(jī)屬于“世界首臺”，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)也實(shí)現(xiàn)了10個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱，打破了此前美國所保持的記錄，處于世界領(lǐng)先位置，就是這么厲害！

速度

那到底什么是量子計(jì)算機(jī)呢？

我們現(xiàn)在對電子計(jì)算機(jī)很熟悉，但很少有人知道它和量子計(jì)算機(jī)的區(qū)別在哪里。簡單來說，根本區(qū)別其實(shí)就是計(jì)算能力！

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力之所以強(qiáng)過傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)，原因就在于兩者存儲信息與運(yùn)算方式上的不同。

在電子計(jì)算機(jī)里，一個微小晶體管中存儲的數(shù)據(jù)，在一個時間點(diǎn)上是固定的，要么是1，要么是0。而量子計(jì)算機(jī)則不同，量子具有疊加態(tài)，一個量子位可以有兩種狀態(tài)，這樣N個量子位時就有2的N次方種狀態(tài)。

更神奇的地方在于，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式是串行運(yùn)算，一個算完算下一個。而量子計(jì)算機(jī)由于處于疊加狀態(tài)，天然就能并行運(yùn)算。如果電子計(jì)算機(jī)要分成50次計(jì)算完成，量子計(jì)算機(jī)則可以把這過程分成50個部分，同時計(jì)算完成，再疊加給出結(jié)果。

想象一下，你被要求5分鐘內(nèi)在指定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?yàn)槟抢镉?000萬冊書。但是如果你處于5000萬個平行現(xiàn)實(shí)中，每個現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個現(xiàn)實(shí)中找到這個“X”。在這個假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)卻能將你復(fù)制出5000萬個，每個只需翻找一本書即可。這效率，簡直成倍躍升！

目前，我們所有的計(jì)算機(jī)體系都是基于馮諾依曼式的組織結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行速度的增長已經(jīng)明顯放緩，對于大規(guī)模數(shù)據(jù)的分析計(jì)算效率也很難再提高。量子計(jì)算的提出，則是旨在專門為復(fù)雜問題的求解設(shè)計(jì)一種全新的計(jì)算機(jī)體系，讓運(yùn)行速度“飛”起來了！

所以，曾有人打過一個比方：如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度是自行車，量子計(jì)算機(jī)的速度就好比飛機(jī)。使用億億次的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年。而使用一臺萬億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個方程組，僅需0.01秒。

改變

這種逆天的超高速計(jì)算方式，必然會使很多方面發(fā)生重大變化。

第一，對人類科技進(jìn)步而言，量子計(jì)算機(jī)“開辟了一個新的戰(zhàn)場”?！鞍Ｄ岚⒖恕弊鳛槭澜缟系谝慌_經(jīng)典算法計(jì)算機(jī)，開辟了一個屬于計(jì)算機(jī)的時代，以前，量子計(jì)算速度比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快還只是停留在理論中，而該臺原型機(jī)將這一理論變成現(xiàn)實(shí)邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步，把量子計(jì)算機(jī)真正推向和經(jīng)典計(jì)算機(jī)競爭的擂臺。

第二，在現(xiàn)實(shí)生活方面，量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍就更廣了！只要是涉及到邏輯計(jì)算分析，都可以發(fā)揮它的優(yōu)勢。量子計(jì)算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的并行計(jì)算和模擬能力，計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。比如預(yù)測天氣、解決交通擁堵等問題，比如在金融的分析投資、醫(yī)療領(lǐng)域的診斷等，都能借此變得更加高效、準(zhǔn)確。

舉幾個簡單例子，如果你要尋找一個數(shù)據(jù)，普通計(jì)算機(jī)可能需要測試每一個條目，但量子計(jì)算機(jī)算法只需要普通計(jì)算機(jī)算法次數(shù)的平方根次就可以了，這對于處理大量數(shù)據(jù)及信息來說，簡直意義非凡。甚至可以在幾天里解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會花費(fèi)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。

再比如，量子計(jì)算機(jī)可以應(yīng)用到信息技術(shù)安全中去，有了它，你瀏覽電子郵件和銀行數(shù)據(jù)都會處于加密安全系統(tǒng)的保護(hù)之下，有了這種安全系統(tǒng)，你給每個人一個公共密鑰編碼信息，那也就只有你能解碼。

再比如，現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)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(jì)算機(jī)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。

在每天的出行中，GPS可以幫你優(yōu)化出最佳線路，但如果有了量子計(jì)算機(jī)，我們可以把整個城市甚至整個地球上所有人的出行計(jì)劃全都輸入進(jìn)去，讓它計(jì)算出最優(yōu)解，從而讓人們徹底告別交通擁堵。

在研發(fā)藥物方面，量子計(jì)算機(jī)能夠描繪出數(shù)以萬億計(jì)的分子組成，并將其中最可能有效的組合快速識別出，顯著降低藥物的研發(fā)成本和周期。

在探索太空方面，量子計(jì)算機(jī)可以處理望遠(yuǎn)鏡視野中更多的數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)更多的行星，并迅速識別出最有可能存有生命體的行星。

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第三，在軍事方面，量子計(jì)算機(jī)更是能讓信息化戰(zhàn)爭換了“容顏”。包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的量子技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景，量子隱形通信系統(tǒng)將建立在各類作戰(zhàn)指揮控制體系之間和各種偵察預(yù)警系統(tǒng)、主要作戰(zhàn)平臺以及空間武器系統(tǒng)之中，從而構(gòu)建出量子信息化戰(zhàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未來的信息化戰(zhàn)爭中扮演無可替代的角色。美國國防部對此就給予了高度重視，國防高級研究計(jì)劃署專門制定了名為“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”的研究計(jì)劃，其對外公開宣稱的目標(biāo)是，若干年內(nèi)要在核磁共振量子計(jì)算、中性原子量子計(jì)算、諧振量子電子動態(tài)計(jì)算、光量子計(jì)算及固態(tài)量子計(jì)算等領(lǐng)域取得重大研究進(jìn)展。有人甚至認(rèn)為，量子計(jì)算的意義不亞于核武器……一旦有些國家軍隊(duì)擁有了量子計(jì)算機(jī)，而另一些國家軍隊(duì)卻沒有，當(dāng)戰(zhàn)爭爆發(fā)的時候，這就猶如一個瞎子和一個睜眼的人在打架一樣，對方可以把你的東西看得清清楚楚，而你卻什么都看不到。

第四，掌握了量子計(jì)算機(jī)，就可能掌握了未來新技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)權(quán)。比如說，現(xiàn)在很火的人工智能。人工智能的爆發(fā)，有幾個因素離不開，一是龐大數(shù)據(jù)的積累，一是硬件性能提升，帶來的計(jì)算能力的提高。像AlphaGo，現(xiàn)在最著名的人工智能產(chǎn)品，它在迎戰(zhàn)李世石時，動用了1920個CPU、280個GPU，來保證它的運(yùn)算。所以，某種意義上來說，AlphaGo的勝利，是建立在硬件的堆砌之上。如果有量子計(jì)算，那么AlphaGo就無須用這么暴力的方式了。從這一點(diǎn)上來說，它是能夠促進(jìn)人工智能進(jìn)化的，使它變得更為超效，帶來飛躍式的提升與進(jìn)步。

這樣來看，量子計(jì)算機(jī)也為中國的科技實(shí)力提供趕超歐美的機(jī)會。在傳統(tǒng)科技領(lǐng)域，很多方面其實(shí)已經(jīng)為歐美國家的企業(yè)所控制，甚至壟斷。由于它們坐擁巨大的資源與強(qiáng)大的研發(fā)能力，也借此擁有豐厚的利潤，得以不斷投入巨資進(jìn)行再研發(fā)，形成良性循環(huán)。這使得中國的企業(yè)無論怎樣，很難在這些傳統(tǒng)科技領(lǐng)域打破其格局。

但在人工智能這一“新興”領(lǐng)域，雖然中國晚于歐美國家起步，但這幾年來，中國在人工智能的發(fā)展，無論是從企業(yè)數(shù)量，或是人才、研究實(shí)力上看，均不遜于美國。

中國人工智能的發(fā)展，呈現(xiàn)出一種與其他科技領(lǐng)域完全不同的發(fā)展方式，這甚至讓美國科技界十分警惕，并借此不斷提醒美國政府，要其注重科技的投入、相關(guān)政策的扶持等，以避免被中國超越。量子計(jì)算機(jī)，也是如此。

去年中國就成功地發(fā)射全球首枚量子衛(wèi)星，今天又在量子計(jì)算機(jī)方面有了巨大突破，說明我國在這方面具有良好的基礎(chǔ)與能力。因此，只要我們發(fā)力，同時從硬件、軟件、材料等多方面著手進(jìn)行研究、布局，這樣，中國在量子計(jì)算機(jī)上的發(fā)展，就不怕會落后于歐美國家。

考慮到量子計(jì)算對諸如人工智能等領(lǐng)域的作用，未來或許將形成巨大的連鎖反應(yīng)，推動中國科技全面快速發(fā)展，全面超越歐美國家。

繼續(xù)

也正是看到了上面一系列的重大意義，各國相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家才能在量子計(jì)算機(jī)探索的道路上鍥而不舍，咬緊牙關(guān)絲毫不讓步，美國甚至組建了包括谷歌公司、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校等眾多科研巨頭在內(nèi)的“夢之隊(duì)”來進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。世界紀(jì)錄也不斷被刷新著，這次，中國科學(xué)家顯然在這一領(lǐng)域又把紀(jì)錄刷新了。

取得了重大成果的我國科學(xué)家也深知“前路漫漫”，往前的每一步都是極其艱難，讓量子計(jì)算機(jī)計(jì)算“飛入尋常百姓家”目前來說難度更大，所以絲毫不敢松懈，反而深感責(zé)任之重大。

潘建偉研究團(tuán)隊(duì)依然在“繼續(xù)前行”，計(jì)劃在今年年底分別實(shí)現(xiàn)20個光量子比特和20個超導(dǎo)量子比特的操縱。隨著可操縱粒子數(shù)的增加，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力將會呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。

朱曉波也說，研究團(tuán)隊(duì)正致力于設(shè)計(jì)、制備和測試20個超導(dǎo)量子比特樣品，并計(jì)劃在2017年底前發(fā)布量子云計(jì)算平臺。

他們的堅(jiān)持和努力，也讓我們對于我國量子計(jì)算機(jī)，對于我國科技騰飛有了更多的信心和期待！

（曲悅薦自瞭望智庫）