量子計算，霸權(quán)之爭

孫杰賢

谷歌公司日前聲稱打造出能夠超越當今最強大的超級計算機能力的量子計算機，并宣稱是全球首次實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

谷歌這臺量子計算機有多強？它用了200 秒完成一個計算，而同樣的計算用當今最強大的超級計算機執(zhí)行，需要約一萬年。

量子計算如此強大，讓人不僅聯(lián)想起前不久國內(nèi)有教育機構(gòu)推出了神奇的“量子波動速讀”法，號稱學生的“翻書式”閱讀速度至少可達2萬字每分鐘，而普通人的平均閱讀速度每分鐘只有500字。

當然，前者是科學，后者是炒作。

言歸正傳。量子計算為何如此強悍？根據(jù)相關專業(yè)解讀：量子比特可以制備在兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，它可以同時存儲0和1?？紤]一個 N個物理比特的存儲器，若它是經(jīng)典存儲器，則它只能存儲2的N次方個可能數(shù)據(jù)當中的任一個。若它是量子存儲器，則它可以同時存儲2的N次方個數(shù)據(jù)。由于數(shù)學操作可以同時對存儲器中全部的數(shù)據(jù)進行，因此，量子計算機在實施一次的運算中可以對2的N次方個輸入數(shù)據(jù)同時進行數(shù)學運算。其效果相當于經(jīng)典計算機要重復實施2的N次方次操作，或者采用2的N次方個不同處理器實行并行操作。這便是量子計算和傳統(tǒng)計算的巨大差距所在。

什么量子比特、量子糾纏、量子疊加、量子算法，都過于專業(yè)和技術(shù)，我們只需記住一點：量子計算是對傳統(tǒng)計算的徹底顛覆。量子計算成熟之時，就是傳統(tǒng)IT體系崩塌之日。

谷歌在量子計算領域的投入已經(jīng)持續(xù)了13年的時間。當初之所以押注量子計算，是因為谷歌相信，量子計算可以加速解決一些世界上最緊迫的問題，從氣候變化到疾病預防與治療。除了谷歌，IBM和INTEL這些IT巨頭也對量子計算進行了跟蹤與研發(fā)。

IBM今年1月曾在美國拉斯維加斯消費電子展上展示了20量子比特的“IBM Q系統(tǒng)1”。雖然其量子比特的數(shù)量不及業(yè)界此前發(fā)布的一些設備，但它具有表現(xiàn)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等特性，實用性大為增強，被IBM稱為可“商用”的量子計算機。9月，IBM又宣布推出迄今為止最強大的一臺量子計算機，可操作53個量子比特，也是該公司的第14臺量子計算機。

在量子計算領域，我們經(jīng)常聽到一個術(shù)語是文章開始提到的“量子霸權(quán)“。量子霸權(quán)，也叫量子優(yōu)勢，即在未來的某個時刻，功能強大的量子計算機可以完成經(jīng)典計算機幾乎不可能完成的任務。量子霸權(quán)的實現(xiàn)也意味著量子計算技術(shù)的成熟，量子計算技術(shù)的商用也便指日可待。

所以，量子霸權(quán)之爭也就是未來數(shù)字世界之爭。著名的量子計算專家，中國科學技術(shù)大學教授潘建偉曾將量子計算技術(shù)比喻成和平時代的核武器。

為此，美國眾多科學機構(gòu)敦促國會盡快制定一項為量子研究和教育工作提供資金的戰(zhàn)略計劃后，美國眾議院立法者很快就有所動作——其科學委員會將就一項新的長達10年的國家量子計劃（NQI）提出法案，而白宮也計劃正式啟動新的領導小組，以指導聯(lián)邦政府在量子科學領域發(fā)揮應有的作用，以確?！懊绹诹孔蛹夹g(shù)領域的領先地位”。IBM投入30億美元研發(fā)量子計算等下一代芯片，谷歌的投入更是巨大，而微軟公司也與多所大學共建量子實驗室。

歐盟從2018年開始，投入10億歐元實施“量子旗艦”計劃。英國在牛津大學等高校建立量子研究中心，投入約2.5億美元培養(yǎng)人才。荷蘭向代爾夫特理工大學投資1.4億美元研究量子計算。

日本計劃未來10年內(nèi)在量子計算領域投資3.6億美元。加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學的量子研究。澳大利亞政府、銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學成立量子計算公司。

在量子計算研究發(fā)領域，我國是后來者，但進展迅速，并且在多個技術(shù)分支上取得領先優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，我國量子科研論文發(fā)表量排名全球第一、專利應用排名第二?？梢哉f，在“第二次量子革命”的起步階段，我國已經(jīng)進入世界“第一陣營”。

2017年，中國科技大學的相關團隊宣稱成功構(gòu)建出世界上第一臺光量子計算機，而且在全球首次實現(xiàn)了10個超導量子比特的高精度操縱，為我國邁入量子計算時代奠定了堅實的技術(shù)基礎。

同年，世界上首顆量子科學實驗衛(wèi)星——“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星與地面率先成功實現(xiàn)“千公里級”的星地雙向量子糾纏和密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)。2018年1月，中國科技大學相關研究團隊聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理所以及微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、國家空間科學中心等單位利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在中國和奧地利之間首次實現(xiàn)距離達7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。

前不久，由中科院物理所、中科院自動化所、浙江大學以及北京計算科學研究中心等機構(gòu)所組成的聯(lián)合團隊宣稱開發(fā)出了一款具有20個超導量子比特糾纏的量子芯片。這款量子芯片成功地實現(xiàn)了全局糾纏，并且刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特數(shù)目的世界紀錄。表明我國在量子計算的研究道路上又邁進了一大步。

根據(jù)相關研究報告，隨著各個國家不斷投資量子計算領域的研究活動，以及它們對量子計算商業(yè)化的關注，全球量子計算預計將成指數(shù)增長，達到30.9%。預計到2025年底全球范圍內(nèi)將采用和量子計算技術(shù)，收入有可能超過230億美元。但是，中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長潘建偉認為，通用量子計算的實現(xiàn)可能至少需要10年甚至更長的時間。