量子計(jì)算機(jī)為何優(yōu)秀

馬迪

量子霸權(quán)之爭也就是未來數(shù)字世界之爭。

近幾年“量子”這個(gè)詞聲名大噪?？吹健傲孔印边@個(gè)詞，許多人第一反應(yīng)就是把它理解成像原子、電子、質(zhì)子一樣的某種粒子。但事實(shí)上，量子只是物理學(xué)中的一個(gè)概念，即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，我們就說它是量子化的。也就是說，并沒有某種粒子專門叫做“量子”！

量子聽起來似乎很前沿，但對相關(guān)研究者來說，量子力學(xué)是個(gè)很古老的理論一已經(jīng)超過了一個(gè)世紀(jì)。19世紀(jì)初期，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象無法用經(jīng)典理論解釋，尤其在微觀層面，大部分現(xiàn)象都是量子力學(xué)出現(xiàn)后才能回答的。

1982年，美國著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出了利用量子效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算的新奇想法，“自然是量子的，所以如果我們想要模擬它，我們就需要一臺量子計(jì)算機(jī)”;1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾證明量子計(jì)算機(jī)能夠完成對數(shù)運(yùn)算，且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī);2005年，世界第一臺量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)在美國誕生，基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

首先我們要明確的一點(diǎn)是，無論是現(xiàn)在我們使用的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，還是尚未到來的量子計(jì)算機(jī)，都是用0和1二進(jìn)制序列保存數(shù)據(jù)的。不同的是，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)每比特非0即1，而在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特可以處于即是0又是1的量子疊加態(tài)，因此可以進(jìn)行高效率的并行計(jì)算。也就是說，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)施一次的運(yùn)算中可以對2的N次方個(gè)輸入數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要重復(fù)實(shí)施2的N次方次操作，或者采用2的N次方個(gè)不同處理器實(shí)行并行操作。

其實(shí)，我們只需要記住一點(diǎn)：量子計(jì)算是對傳統(tǒng)計(jì)算的徹底顛覆，量子計(jì)算機(jī)成熟之日，就是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)被淘汰之時(shí)。這也是它被稱為“次世代計(jì)算機(jī)”的原因。

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)界，“摩爾定律”一直是金科玉律，即計(jì)算機(jī)芯片的晶體管密度每18個(gè)月翻一番，算力增強(qiáng)一倍，這是一種指數(shù)增長的規(guī)律。但是近年來隨著晶體管的尺寸逐漸逼近物理學(xué)極限，這一定律已經(jīng)放緩甚至面臨失效。如果摩爾定律終結(jié)，在后摩爾時(shí)代，提高運(yùn)算速度的途徑顯然就只剩量子計(jì)算機(jī)一途了。

20世紀(jì)90年代開始，美國就在這方面花大力氣研究，在硬件、軟件、材料各個(gè)方面投入巨大，多個(gè)科技巨頭公司開始了量子計(jì)算的“軍備競賽”。

谷歌在量子計(jì)算領(lǐng)域的投入已經(jīng)持續(xù)了13年的時(shí)間。2019年10月，其研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文，表示研制出了一個(gè)由54個(gè)量子比特組成的處理器“Sycamore”。在執(zhí)行一項(xiàng)隨機(jī)數(shù)字采樣的任務(wù)過程中，量子處理器在約200秒的時(shí)間內(nèi)從量子電路中采集了100萬個(gè)樣本，而一臺當(dāng)代最尖端的超級計(jì)算機(jī)需要約1萬年才能完成同樣的任務(wù)。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這標(biāo)志著“量子霸權(quán)”（Quarltum Supremacy）的實(shí)現(xiàn)。有趣的是，老對手IBM很快公開發(fā)文，“炮轟”谷歌的“量子霸權(quán)”有缺陷，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上模擬谷歌計(jì)算機(jī)的結(jié)果其實(shí)只需要2天半，根本用不了一萬年。

霸權(quán)什么的聽上去很唬人，其實(shí)與政治毫無關(guān)聯(lián)?！傲孔影詸?quán)”長期以來被用于描述量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，指量子計(jì)算機(jī)能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的復(fù)雜難題，也就是展現(xiàn)其壓倒性的優(yōu)勢。所以也有很多人說“Quantum Supremacy”應(yīng)該被翻譯成“量子優(yōu)勢”才更準(zhǔn)確。

無論如何，Quantum Supremacy是量子計(jì)算機(jī)邁向?qū)嶋H運(yùn)用的關(guān)鍵一步。

量子霸權(quán)之爭也就是未來數(shù)字世界之爭。在一個(gè)“算力為王”的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，量子計(jì)算技術(shù)一旦獲突破，掌握這種能力的國家，會在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域崛起成為超級強(qiáng)國。

中國是這個(gè)領(lǐng)域的后來者，但進(jìn)展迅速，可以說，在“第二次量子革命”的起步階段，中國已經(jīng)進(jìn)入世界“第一陣營”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國人的量子科研論文發(fā)表量排名全球第一、專利應(yīng)用排名第二;2016年，中國研制的世界首顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射，并首次成功實(shí)現(xiàn)千公里級的星地雙向量子通信;2017年，中國科技大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊(duì)宣稱成功構(gòu)建出世界上第一臺光量子計(jì)算機(jī)，而且在全球首次實(shí)現(xiàn)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱……

總之，在量子計(jì)算機(jī)面前，復(fù)雜的宇宙模擬、航空航天、地震預(yù)測、天氣預(yù)報(bào)、高能物理、化學(xué)模擬、藥物研發(fā)、金融分析、加密通信等種種科學(xué)計(jì)算以及當(dāng)下火熱的AI應(yīng)用所需的超強(qiáng)算力，都只是小菜一碟。雖然專家們都說，通用量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)可能至少需要10年甚至更長的時(shí)間，但正應(yīng)了那句話：“所有人都在等待，所有等待都值得?！?/p>