說起顛覆性技術(shù)，量子計算機(jī)都是當(dāng)下科技界的閃耀明星。
30多年前，物理學(xué)家提出了利用量子構(gòu)建計算系統(tǒng)的設(shè)想，此后科技界就沒有停止過探索。量子計算機(jī)究竟有何能耐，如今走到了哪一步？記者采訪了相關(guān)專家。
“在量子計算機(jī)面前，傳統(tǒng)的計算機(jī)就像‘算盤’”
近段時間，量子計算機(jī)領(lǐng)域頻頻傳來重要進(jìn)展：美國霍尼韋爾公司表示研發(fā)出64量子體積的量子計算機(jī)，性能是上一代的兩倍；我國本源量子計算公司與中科院量子信息重點實驗室等研究團(tuán)隊合作，在國際上首次發(fā)現(xiàn)一種控制、讀取量子比特的新思路，為擴(kuò)展量子比特提供了可能性……
何為量子計算機(jī)？簡單地說，當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就屬于量子計算機(jī)。
人們對量子計算機(jī)充滿期待，與傳統(tǒng)計算機(jī)遭遇瓶頸不無關(guān)系。近年來，傳統(tǒng)計算機(jī)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)應(yīng)運而生。
“量子計算機(jī)是芯片尺寸突破經(jīng)典物理極限的必然產(chǎn)物，是后摩爾時代的標(biāo)志性技術(shù)?！敝锌圃涸菏?、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦說，在微觀狀態(tài)下，量子是一個不可再分割的基本單位。人們所熟知的電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。
傳統(tǒng)計算機(jī)用0和1儲存與處理數(shù)據(jù)，俗稱經(jīng)典比特。量子計算機(jī)的神奇之處在于，它的基本計算單元——量子比特可以同時是0和1，即允許“疊加態(tài)”共存，從而擁有更強(qiáng)大的并行能力。舉個例子，假使在800萬本書里找一個單詞，經(jīng)典計算機(jī)的方法是一本一本地搜索，提高速度要用多個處理器來協(xié)同求解。而量子的疊加性質(zhì)，與二進(jìn)制算法的運行邏輯不同，使得量子計算機(jī)可以分身為800萬臺計算機(jī)同時尋找?！霸诹孔佑嬎銠C(jī)面前，傳統(tǒng)的計算機(jī)就像‘算盤’?！惫鉅N表示。
據(jù)本源量子計算公司副總裁張輝介紹，在需要大規(guī)模計算的領(lǐng)域，量子計算機(jī)可一展拳腳，如助力先進(jìn)材料制造和新能源開發(fā)等。在藥物研發(fā)方面，量子計算機(jī)通過精準(zhǔn)模擬各種分子、原子的自然演進(jìn)，可幫助科研人員快速找到對付病毒的藥物；在公共交通領(lǐng)域，量子計算能夠迅速對復(fù)雜的交通狀況進(jìn)行分析預(yù)判，從而調(diào)度綜合交通系統(tǒng)，限度避免道路擁堵。
量子計算應(yīng)用走出實驗室，得益于它的工程化推進(jìn)。當(dāng)前，不少國家都把量子計算當(dāng)作未來技術(shù)制高點，國內(nèi)外知名的企業(yè)紛紛涉足量子計算，全球量子計算創(chuàng)業(yè)公司超過百家。郭光燦表示，量子計算發(fā)展比想象的更快，許多停留在紙面上的想法逐漸變成了現(xiàn)實。
“如果以經(jīng)典計算機(jī)發(fā)展進(jìn)程來衡量，現(xiàn)在量子計算機(jī)處于早期的‘電子管時代’”
量子計算機(jī)雖然前景廣闊，但落地應(yīng)用仍是長路漫漫。郭光燦指出，做出量子計算機(jī)需要滿足三個基本條件：量子芯片、量子編碼和量子算法。它們分別是實現(xiàn)量子計算的物理系統(tǒng)、確保計算可靠性的處理系統(tǒng)和提高運算速度的關(guān)鍵。
“做量子計算機(jī)，首先要足夠多的量子比特。”騰訊量子實驗室高級研究員鄭亞銳解釋說。什么是量子比特？理論上，自然界中一切有量子效應(yīng)的載體都可用作量子比特。經(jīng)過長期探索，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)、離子阱、光子、超冷原子、半導(dǎo)體量子點等，都存在量子效應(yīng)，意味著能夠用于開發(fā)量子計算機(jī)。而這些不同的體系，造就了量子計算機(jī)不同的技術(shù)實現(xiàn)路線。
量子計算機(jī)走向?qū)嵱?，要控制多少個量子比特？鄭亞銳說，一般認(rèn)為要控制100萬個量子比特。但眼下，工業(yè)界能控制的量子比特還不超過100個。
在宏觀環(huán)境下，如何保持微觀環(huán)境下的量子特性，是量子計算機(jī)落地應(yīng)用的另一個重要障礙。實現(xiàn)這一點，要求較長的相干時間(量子系統(tǒng)衰退的時間常數(shù))，以及非常高的保真度?！疤岣弑忍財?shù)量的同時，又不降低保真度，是學(xué)術(shù)界聚焦的難題?！编崄嗕J說。
“每一個體系都有優(yōu)缺點，到底哪條路線能實現(xiàn)量子計算，大家心里也不清楚?！睆堓x說。具體地說，半導(dǎo)體量子點路線操控性方便，但相干時間很短；光學(xué)或者離子阱路線相干時間長，但可擴(kuò)展性差。清華大學(xué)量子信息中心副教授金奇奐表示，近年來，學(xué)界對離子阱路線的基礎(chǔ)研究很多，但工業(yè)界關(guān)注不夠，工程、工藝上細(xì)致的工作剛剛起步。
目前，多數(shù)開發(fā)者選擇的是超導(dǎo)和半導(dǎo)體兩條路線，兩者的工程化、工藝化也快速推進(jìn)。開發(fā)者希望，借助先進(jìn)的半導(dǎo)體、集成電路工藝，在推進(jìn)量子計算機(jī)研制的同時，為未來量子計算機(jī)與經(jīng)典計算機(jī)的潛在融合做準(zhǔn)備。
從電子管到晶體管，再到集成電路，隨著材料和工藝的迭代，經(jīng)典計算機(jī)性能不斷提升?！叭绻越?jīng)典計算機(jī)發(fā)展進(jìn)程來衡量，現(xiàn)在量子計算機(jī)處于早期的‘電子管時代’?！睆堓x說，現(xiàn)在量子計算機(jī)還很“笨”，比智能手機(jī)、手提電腦的速度要慢得多。量子計算機(jī)也要經(jīng)歷一個發(fā)展過程。
“量子計算技術(shù)是顛覆性技術(shù)，關(guān)系到未來發(fā)展的基礎(chǔ)計算能力”
張輝認(rèn)為，真正衡量量子計算能力，是用它來解決問題時，與經(jīng)典計算相比誰消耗的資源更少。
“目前量子計算機(jī)還沒有找到比較合適的應(yīng)用場景。”金奇奐認(rèn)為，真正意義的量子計算機(jī)，不能單單證明它能比經(jīng)典計算機(jī)做得好，而是要做出更有價值的工作。如果只能處理某一個專門問題，量子計算機(jī)只是一個高效的“伐木工”，知道如何利用木頭做家具，才是真正有用的量子計算機(jī)。
科學(xué)家預(yù)測，未來10至15年，科學(xué)界有可能操縱100量子比特，從而真正實現(xiàn)“量子優(yōu)勢”。郭光燦說，經(jīng)典信息技術(shù)時代，我國是跟蹤者、模仿者，量子計算是我國成為未來信息技術(shù)引領(lǐng)者的機(jī)遇?！傲孔佑嬎慵夹g(shù)是顛覆性技術(shù)，關(guān)系到未來發(fā)展的基礎(chǔ)計算能力。誰先把量子計算機(jī)搞出來，誰就占據(jù)了量子信息時代的制高點?！?/p>
開發(fā)量子計算機(jī)門檻較高。成立2年來，本源量子計算公司僅在硬件上就投入數(shù)億元。但科研人員表示，量子計算就像一個山洞，不知道里面有沒有“寶藏”，但一定要有勇氣沖進(jìn)去，看看里面什么樣。
5年前，中國科學(xué)院與阿里巴巴集團(tuán)建立聯(lián)合實驗室，共同在量子信息科學(xué)領(lǐng)域開展前瞻性研究，這是國內(nèi)較早在量子計算上的布局。近些年，在量子計算領(lǐng)域，我國科研人員發(fā)表了不少有影響力的研究成果。在張輝看來，我國與國際上的“領(lǐng)頭羊”的差距主要不在科研上，而在工程、工藝方面。量子計算機(jī)是一個整體，芯片之外，測控、軟件、算法等同樣應(yīng)高度重視?！澳呐聨赘鶎?dǎo)線之間微弱的干擾，都會影響整體計算性能?！?/p>
量子計算機(jī)與經(jīng)典計算機(jī)不是對抗關(guān)系，不會全面替代經(jīng)典計算機(jī)?！巴骐娔X游戲，我們永遠(yuǎn)用不著量子計算機(jī)。”張輝說，經(jīng)典計算機(jī)發(fā)展至今，已經(jīng)能處理日常中絕大部分任務(wù)，未來兩者應(yīng)該會相互融合。
郭光燦認(rèn)為，掌握量子計算機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)急不得，需要下真功夫。只有經(jīng)過深入細(xì)致鉆研，經(jīng)過技術(shù)沉淀，才有可能實現(xiàn)突破。尤其是要重視解決工程上的問題，才有可能抓住量子計算機(jī)的發(fā)展機(jī)遇。
(責(zé)任編輯：解絢)
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