“九章”問(wèn)世：量子計(jì)算探幽入微

向治霖

光量子干涉實(shí)物圖：左下方為輸入光學(xué)部分，右下方為鎖相光路

佛家說(shuō)理，講求精微，“五蘊(yùn)”依次是色、受、想、行、識(shí)，一個(gè)比一個(gè)精微。

科技的發(fā)展也是如此。下一步科技發(fā)展，繞不過(guò)量子了。在開(kāi)發(fā)量子潛能的領(lǐng)域，中國(guó)與美國(guó)各有千秋。

分類(lèi)來(lái)看，在量子通信領(lǐng)域，中國(guó)獨(dú)步全球。2016年，“墨子號(hào)”量子科技實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射。2017年，量子通信“京滬干線”建成。發(fā)展至今，中國(guó)已推出實(shí)用化產(chǎn)品（量子加密通訊手機(jī)），主導(dǎo)了多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。

但在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國(guó)似乎仍在追趕。

在美國(guó)，科技巨頭IBM、谷歌、亞馬遜等，早就有量子計(jì)算云服務(wù)投入商用。谷歌更是在2019年宣稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”—其研制的超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”，在特定算法上顯示出對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的碾壓優(yōu)勢(shì)。

反觀中國(guó)，在量子計(jì)算的實(shí)用化上，直到2020年才邁出第一步。

該年9月12日，中國(guó)初創(chuàng)科技公司“本源量子”，上線了中國(guó)首個(gè)量子計(jì)算云平臺(tái)。其量子計(jì)算機(jī)名為“悟源”，核心硬件是6-Qubit夸父芯片。

接著在10月，全球量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利的“百?gòu)?qiáng)”中，“本源量子”進(jìn)入前十。這是中國(guó)的首次，它同時(shí)也是中國(guó)在前20中的獨(dú)苗。進(jìn)步是明顯的，但差距也是明顯的。

然而想不到，這一次的“超越”，來(lái)得這么快。

“100萬(wàn)億倍”的速度

2020年12月4日，中國(guó)的一項(xiàng)科研成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志，它被譽(yù)為量子計(jì)算優(yōu)越性的“里程碑”—潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

細(xì)節(jié)暫且不表，需要知道的是，在解決同一個(gè)算法任務(wù)時(shí)，“九章”和目前最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，速度要快了100萬(wàn)億倍。這意味著，“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年。

即使和谷歌的“懸鈴木”相比，以超級(jí)計(jì)算機(jī)為類(lèi)比的中介，“九章”也快了近100億倍。

光量子計(jì)算原型機(jī)“九章”亮相后，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的出臺(tái)，大概也就不遠(yuǎn)了。由于其通用性，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)正在開(kāi)發(fā)應(yīng)用。2020年8月，谷歌宣布了又一個(gè)重大進(jìn)展—首次實(shí)現(xiàn)使用量子計(jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬。

IBM Q SystemOne量子計(jì)算機(jī)

光量子計(jì)算不依賴樣本容量，這是它優(yōu)于超導(dǎo)量子計(jì)算之處。

用計(jì)算機(jī)模擬微觀世界，以研究其中的力學(xué)性質(zhì)，這是量子計(jì)算機(jī)在最早設(shè)想時(shí)的目的之一。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)顯示出廣闊的潛在應(yīng)用，因而最受到科研重視。本源量子的“悟源”，同樣是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，它擁有6個(gè)可利用的量子比特。

縱向?qū)Ρ龋拔蛟础笨刹倏v的量子比特?cái)?shù)，是IBM在2015年時(shí)的水平。但是，其對(duì)量子比特的操縱精確度，大大優(yōu)于當(dāng)時(shí)?？刹倏v的量子比特?cái)?shù)，和操縱精確度，是該領(lǐng)域最重要的兩個(gè)指標(biāo)。

此次亮相的“九章”，走了一條大不相同的路。它進(jìn)行的“高斯波色采樣”實(shí)驗(yàn)，是另一個(gè)驗(yàn)證量子優(yōu)越性的方案。

通過(guò)這個(gè)方案，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)76個(gè)光子在“計(jì)算”后的探測(cè)，狀態(tài)空間超過(guò)了“懸鈴木”，達(dá)到10的30次方。要知道，目前全世界的存儲(chǔ)容量，也只是10的22次方。另外，光量子計(jì)算不依賴樣本容量，這是它優(yōu)于超導(dǎo)量子計(jì)算之處。光量子計(jì)算的成功，預(yù)示著無(wú)限可能。

“摩爾定律”或?qū)⑹?，下一代算力的增長(zhǎng)點(diǎn)，必須往微觀世界里進(jìn)一步找。

不過(guò)，它在目前還沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。光量子計(jì)算走向“通用”，還需要加入新的設(shè)計(jì)。有觀點(diǎn)認(rèn)為，它更可能有助于量子通訊領(lǐng)域的建設(shè)。當(dāng)然，前沿科技最終的應(yīng)用，常常是在意料之外。

何為“新量子革命”

量子計(jì)算雖然在起步階段，但不至于“可望不可及”。量子計(jì)算的發(fā)展，其實(shí)比想象中快。量子科技從“冷”到“熱”，最多也不過(guò)5年時(shí)間。

IBM等在2015年推出量子計(jì)算云服務(wù)時(shí)，知者寥寥。中國(guó)的量子通信網(wǎng)絡(luò)，也遭遇過(guò)同樣情形。雖然有“墨子號(hào)”“京滬干線”，企業(yè)也早在2017年推出量子通信手機(jī)，但市場(chǎng)畢竟是小眾的。

然而，近兩年來(lái)，量子科技領(lǐng)域成了香餑餑。從近年的動(dòng)向看，美國(guó)推出了“量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想”，中國(guó)高層組織集體學(xué)習(xí)量子科技，德國(guó)推出量子科技的實(shí)用化扶持計(jì)劃……量子科技，突然成為熱門(mén)競(jìng)技場(chǎng)。這是為什么？

量子力學(xué)雖然艱深，但它不是新事物了。早在1900年，因研究“黑體輻射”，量子理論隨之萌芽。到20世紀(jì)上半葉，經(jīng)由薛定諤、海森堡、愛(ài)因斯坦、波爾等一眾大佬，量子力學(xué)的基礎(chǔ)框架已被打好。

新一代人工智能系統(tǒng)AlphaFold能夠預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

遺憾的是，從那之后，量子力學(xué)的理論研究不再有重大進(jìn)展。在對(duì)理論的修修補(bǔ)補(bǔ)上，科學(xué)界也莫衷一是。例如針對(duì)量子最奇妙的特性之一，由觀測(cè)導(dǎo)致的所謂“波函數(shù)坍塌”現(xiàn)象，究竟采用哥本哈根詮釋?zhuān)€是多世界詮釋?zhuān)只蚴瞧渌忈專(zhuān)两駴](méi)有定論。

但在爭(zhēng)論的同時(shí)，量子力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，早就在世上得到推廣了。理論上仍未完全確立，但實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)碩果累累，這是獨(dú)屬于量子力學(xué)的景觀。

最重要的應(yīng)用，有激光、通信和半導(dǎo)體行業(yè)。其中，由半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展而來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)是霸主般的存在，深刻地改變了人類(lèi)社會(huì)。

而這一場(chǎng)改變，或由于此前被互聯(lián)網(wǎng)“喧賓奪主”的緣故，現(xiàn)在方到算力和存儲(chǔ)都爆發(fā)式增長(zhǎng)的時(shí)代。而“摩爾定律”因芯片制程接近物理極限即將失效，真正的主角量子才越來(lái)越引起大家重視。

近些年有觀點(diǎn)認(rèn)為，應(yīng)該把過(guò)去50年的技術(shù)改變歸功于“量子革命”。我們對(duì)量子力學(xué)的應(yīng)用，在過(guò)去是“知其然，不知其所以然”，量子力學(xué)的重要性，也因此被有意無(wú)意地忽略。

但是現(xiàn)在，“摩爾定律”或?qū)⑹?，下一代算力的增長(zhǎng)點(diǎn)，必須往微觀世界里進(jìn)一步找。這意味著，對(duì)量子的研究，不得不“知其所以然”。

因此，下一場(chǎng)科技變革，就被稱(chēng)為“新量子革命”。

接續(xù)解密人體密碼

每一次科技革命，都會(huì)極大地改變生活方式。今天，“新量子革命”又會(huì)改變什么？

按照量子計(jì)算領(lǐng)域展望的未來(lái)，在今天看似龐大的互聯(lián)網(wǎng)和海量數(shù)據(jù)，恐怕還處在初級(jí)狀態(tài)。存儲(chǔ)市場(chǎng)就是一例。目前全球生產(chǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上數(shù)據(jù)爆發(fā)帶來(lái)的需求。業(yè)內(nèi)普遍預(yù)計(jì)，到了明年，存儲(chǔ)廠商的供應(yīng)，會(huì)缺貨到一個(gè)可怖的狀態(tài)。而這，還只是一個(gè)開(kāi)始。

近年崛起的三大藍(lán)?！?G、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能，無(wú)不在要求更多的數(shù)據(jù)、更大的存儲(chǔ)。要知道，它們的發(fā)展也才剛剛起步。

很顯然，數(shù)據(jù)與算力是捆綁一體的，要處理更多的數(shù)據(jù)，自然要求更強(qiáng)的算力。但如前文所述，芯片的工藝已經(jīng)逼近了物理極限。

這還沒(méi)完。物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，需要更小、更精確的傳感器芯片。人工智能的發(fā)展，離不開(kāi)新的算法設(shè)計(jì)……僅僅是滿足“三大藍(lán)?！钡男枨?，量子計(jì)算就被寄予了足夠多的期望。

2019年10月23日，谷歌CEO桑達(dá)爾·皮查伊在美國(guó)加州圣芭芭拉實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)谷歌量子計(jì)算機(jī)旁

不過(guò)，更令人期待的，或許是量子計(jì)算機(jī)能夠開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域。

百年一見(jiàn)的病毒大流行，重新讓人們意識(shí)到，日常的生活有多脆弱。雖說(shuō)醫(yī)學(xué)界付出了最大努力，新冠疫苗現(xiàn)已在多個(gè)國(guó)家獲批上市，其研發(fā)的速度堪稱(chēng)奇跡了，但在全球慘重的傷亡下，它還是顯得太慢、太少。

可以期待的是，藥物的研發(fā)，正是量子計(jì)算機(jī)的用武之地。

2020年12月1日，開(kāi)發(fā)了人工智能AlphaGo、橫掃了頂尖圍棋棋手的公司DeepMind，宣布了一個(gè)震驚生物界的消息：其研發(fā)的新一代人工智能系統(tǒng)AlphaFold，在國(guó)際蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)競(jìng)賽上，擊敗了其余的參賽選手。

據(jù)DeepMind消息，人工智能可以精確地基于氨基酸序列，預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)。其準(zhǔn)確性可以與使用冷凍電子顯微鏡（CryoEM）、核磁共振或X射線晶體學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)解析的3D結(jié)構(gòu)相媲美。

早在20世紀(jì)下半葉，對(duì)核酸和蛋白質(zhì)的測(cè)序技術(shù)已經(jīng)成熟。在當(dāng)時(shí)，生物學(xué)家曾樂(lè)觀地估計(jì)，關(guān)于人體的一切密碼都將解開(kāi)。然而，“結(jié)構(gòu)生物學(xué)”成為瓶頸。對(duì)生物大分子的結(jié)構(gòu)，以及與結(jié)構(gòu)相關(guān)的性質(zhì)研究，進(jìn)入了半個(gè)世紀(jì)的摸索期。

如今，在算力和數(shù)據(jù)的引擎下，這個(gè)問(wèn)題被“程序員”解決。與此同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)對(duì)生物化學(xué)過(guò)程的模擬優(yōu)勢(shì)，再度為解開(kāi)人體密碼打開(kāi)了一扇門(mén)。這一次，研究抵達(dá)了最小的粒子級(jí)別，接續(xù)半世紀(jì)來(lái)，因外部條件限制而中止的工作。

過(guò)去常有人說(shuō)，在20世紀(jì)，人類(lèi)可以探宇宙之際，察粒子之微，但對(duì)自己了解最少。對(duì)生物過(guò)程的研究，長(zhǎng)期以來(lái)“盲人摸象”，因此，太多的疾病無(wú)法被攻克。

現(xiàn)在，序幕徐徐拉開(kāi)了。