在十九世紀(jì)初期，完美的經(jīng)典物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。然而，還有“兩朵烏云”仍然籠罩在經(jīng)典物理學(xué)大廈的上方，其中一朵就是黑體輻射的紫外災(zāi)難。為了解釋這個現(xiàn)象，并結(jié)合已有的對氫原子光譜等問題的研究，量子力學(xué)橫空出世。
量子力學(xué)發(fā)展起來，延伸出許多相關(guān)的分支，量子計算就是最為人們所看好的量子技術(shù)之一。擁有高出普通計算機數(shù)十甚至數(shù)百倍算力的量子計算機，是吸引了無數(shù)科技公司、大型學(xué)術(shù)團(tuán)體乃至中國政府的研究熱點。當(dāng)前，各公司，甚至各國——都在爭奪量子計算這個新興技術(shù)領(lǐng)域的龍頭地位。
量子計算的玫瑰與荊棘
眾所周知，經(jīng)典計算機以比特（bit）作為存儲的信息單位，比特使用二進(jìn)制，一個比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子計算機里，情況會變得完全不同，量子計算機以量子比特（qubit）為信息單位，量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，還可以做到“既1又0”，這意味著，量子計算機可以疊加所有可能的“0”和“1”組合，讓“1”和“0”的狀態(tài)同時存在。
相較于經(jīng)典計算，基于量子比特特性的量子計算機優(yōu)勢顯而易見。普通計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進(jìn)制數(shù)，而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個時，量子處理器對n個量子位執(zhí)行一個操作就相當(dāng)于對經(jīng)典位執(zhí)行2n個操作，這使得量子計算機的處理速度大大提升。可以說，量子計算機最大的特點就是速度快。
以質(zhì)因數(shù)分解為例，每個合數(shù)都可以寫成幾個質(zhì)數(shù)相乘的形式，其中每個質(zhì)數(shù)都是這個合數(shù)的因數(shù)，把一個合數(shù)用質(zhì)因數(shù)相乘的形式表示出來，就叫做分解質(zhì)因數(shù)。比如，6可以分解為2和3兩個質(zhì)數(shù)；但如果數(shù)字很大，質(zhì)因數(shù)分解就變成了一個很復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。1994年，為了分解一個129位的大數(shù)，研究人員同時動用了1600臺高端計算機，花了8個月的時間才分解成功；但使用量子計算機，只需1秒鐘就可以破解。
此外，根據(jù)量子力學(xué)，在微觀世界，能量是離散化的，就像不停地用顯微鏡放大斜面，最后發(fā)現(xiàn)所有的斜面都是由一小級一小級的階梯組成一樣，量子并不是某種粒子，它指代的是微觀世界中能量離散化的現(xiàn)象。量子系統(tǒng)在經(jīng)過“測量”之后就會坍縮為經(jīng)典狀態(tài)。
這就是那個經(jīng)典的“薛定諤的貓”的思想實驗，當(dāng)我們打開密閉容器后，貓就不再處于疊加狀態(tài)，而是死貓或者活貓的唯一狀態(tài)。同樣，量子計算機在經(jīng)過量子算法運算后每一次測量都會得到唯一確定的結(jié)果，且每一次結(jié)果都有可能不相同。根據(jù)基礎(chǔ)的量子門，科學(xué)家可以開發(fā)出相應(yīng)的量子算法。
雖然量子計算機每一次的測量結(jié)果都類似“上帝擲骰子”一樣會發(fā)生不同，但是只要量子算法設(shè)計合理，量子計算機運算結(jié)果中出現(xiàn)概率最大的結(jié)果就是正確結(jié)果。面對較為復(fù)雜的計算問題，經(jīng)典算法需要進(jìn)行各態(tài)遍歷等重復(fù)操作，算法的復(fù)雜度較高，而量子算法則能較快得到結(jié)果，只需少數(shù)測量取樣得到計算結(jié)果概率即可知道正確結(jié)果。但顯然，這不是一個容易的過程。
一方面，量子比特需要處在相互依賴的疊加態(tài)——也被稱為“量子相干”的狀態(tài)，在此狀態(tài)下量子比特會相互糾纏，一個量子比特的變化會影響其他所有量子比特。為了實現(xiàn)量子計算，就需要保持所有的量子比特相干。
然而，量子相干實體所組成的系統(tǒng)和其周圍環(huán)境的相互作用，會導(dǎo)致量子性質(zhì)快速消失，即“退相干”。想要建造量子計算機，研究人員就必須設(shè)法延長退相干時間，但目前的技術(shù)僅能將時間延長到零點幾秒。隨著量子比特數(shù)量的增加，其與外界環(huán)境接觸的可能性增大，想要延長退相干時間的難度也就越大。
另一方面，正如自然中的其他過程一樣，量子計算過程中也有噪聲。來自量子比特內(nèi)的熱量、來自基本的量子力學(xué)過程的隨機波動都可能會干擾量子比特的狀態(tài)，從而造成計算錯誤。噪聲在經(jīng)典計算中同樣存在，但不難解決，只要給每個比特保存兩到三份備份，這樣一個錯誤的比特就很容易被發(fā)現(xiàn)和剔除。而在量子計算機中，所有的計算能力卻往往被用于糾正錯誤，而不是運行算法時，于是，解決噪聲問題的策略反而成為了一種負(fù)擔(dān)。
升級信息時代
即便量子計算的發(fā)展面對諸多現(xiàn)實性的艱巨挑戰(zhàn)，但量子計算依然是物理學(xué)家和計算機科學(xué)家數(shù)十年來一直夢想的潛在革命性的技術(shù)。究其原因，量子計算機的發(fā)展從根本上而言能給人類社會帶來的是一次信息化的升級，量子計算的加入或許可以幫助人們在未來以更快更安全的方式處理數(shù)字化信息。
眾所周知，人類歷史上發(fā)生了三次工業(yè)革命，第一次是蒸汽時代，第二次是電氣時代，第三次則是信息時代。而以計算機為主的第三次工業(yè)革命，目前又在進(jìn)一步進(jìn)化為以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為開端的第四次工業(yè)革命。在第三次和第四次工業(yè)革命中，計算機起著重要的主導(dǎo)作用，芯片，作為計算機的“大腦”，更是技術(shù)革命中的重中之重。
1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人GordonMoore預(yù)測，集成電路上可容納的元器件數(shù)目每隔18個月至24個月會增加一倍。摩爾定律歸納了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。在摩爾定律應(yīng)用的50多年里，計算機得以進(jìn)入千家萬戶成為多數(shù)人都不可或缺的工具，信息技術(shù)由實驗室進(jìn)入無數(shù)個普通家庭，因特網(wǎng)將全世界聯(lián)系起來，多媒體視聽設(shè)備豐富著每個人的生活。
“摩爾定律”對整個世界意義深遠(yuǎn)。然而，經(jīng)典計算機在以“硅晶體管”為基本器件結(jié)構(gòu)延續(xù)摩爾定律的道路上終將受到物理限制。計算機的發(fā)展中晶體管越做越小，中間的阻隔也變得越來越薄。在3nm時，只有十幾個原子阻隔。在微觀體系下，電子會發(fā)生量子的隧穿效應(yīng)，不能很精準(zhǔn)表示“0”和“1”，這也就是通常說的摩爾定律碰到天花板的原因。
盡管研究人員們也提出了更換材料以增強晶體管內(nèi)阻隔的設(shè)想，但一個事實是，無論用什么材料，都無法阻止電子隧穿效應(yīng)。這一難點問題對于量子來說卻是天然的優(yōu)勢，畢竟半導(dǎo)體才是量子力學(xué)的產(chǎn)物，芯片也是在科學(xué)家們認(rèn)識電子的量子特性后研發(fā)而成的。
此外，基于量子的疊加特性，量子計算就像是算力領(lǐng)域的“5G”，它帶來“快”的同時帶來的也絕非速度本身的變化。比如在圍棋領(lǐng)域戰(zhàn)勝全體人類的AlphaGo，其實從其最初研發(fā)到最終戰(zhàn)勝全球冠軍，一方面是AI算法的“軟成長”，另一方面則是運行AlphaGo的NPU在算力上的“硬成長”。兩者之間任何一個要素的發(fā)展都可能導(dǎo)致最終結(jié)果上AlphaGo變得更聰明。
基于強大的運算能力，量子計算機有能力迅速完成電子計算機無法完成的計算，量子計算在算力上帶來的成長，甚至有可能造就第四次人工智能浪潮。目前，針對人工智能產(chǎn)生的量子算法潛在應(yīng)用包括量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自然語言處理、交通優(yōu)化和圖像處理等。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為量子科學(xué)、信息科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)多個學(xué)科交叉形成的研究領(lǐng)域，可以利用量子計算的強大算力，提升神經(jīng)計算的信息處理能力。
再比如，在數(shù)字加密領(lǐng)域，當(dāng)下幾乎所有的數(shù)字加密都像是一把數(shù)學(xué)上的“鎖”，這把鎖的鑰匙串上有幾億甚至幾百億把可能打開它的鑰匙。此時，基于一個樸素的假設(shè)——暴力破解者沒有足夠的算力把其中的每一個鑰匙都做出來然后嘗試，因此，加密就是安全的。然而，當(dāng)算力爆發(fā)式成長時，很多包括金融機構(gòu)在內(nèi)的密碼加密就將全部失去意義，取而代之的則是基于量子技術(shù)的超高運算性能的安全架構(gòu)。
量子計算下的中美角逐
量子技術(shù)是遠(yuǎn)超當(dāng)前任何一個國家所擁有的關(guān)于計算機領(lǐng)域的技術(shù)，包括芯片技術(shù)，以及當(dāng)前一直在討論的區(qū)塊鏈技術(shù)。因此，作為全球科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一，量子計算也成為世界各國角逐的焦點，尤其是中美。
美國是最早將量子信息技術(shù)列為國防與安全研發(fā)計劃的國家，也是進(jìn)展最快的國家。早在2002年，美國防部高級研究計劃局（DARPA）就制定了《量子信息科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃》。2018年6月，美國通過《國家量子倡議法案》，計劃在10年內(nèi)撥給能源部、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和國家科學(xué)基金12．75億美元，全力推動量子科學(xué)發(fā)展。
就企業(yè)而言，谷歌早在2006年就創(chuàng)立了量子計算項目。2019年10月，谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54個量子位處理器Sycamore，實現(xiàn)了量子優(yōu)越性。具體來說，Sycamore能夠在200秒內(nèi)完成規(guī)定操作，而相同的運算量在當(dāng)今世界最大的超級計算機Summit上則需要1萬年才能完成。這項工作是人類歷史上首次在實驗環(huán)境中驗證了量子優(yōu)越性，也被《Nature》認(rèn)為在量子計算的歷史上具有里程碑意義。
2020年8月，谷歌在量子計算機上模擬了迄今最大規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)，通過使用量子設(shè)備對分子電子能量進(jìn)行Hartree－Fock計算，并通過變分量子本征求解來進(jìn)行糾錯處理完善其性能，進(jìn)而實現(xiàn)對化學(xué)過程進(jìn)行準(zhǔn)確的計算預(yù)測。也就是說，谷歌已經(jīng)進(jìn)入研制量子計算機的第二階段。
除了谷歌外，2015年，IBM也在《自然通訊》上發(fā)表了使用超導(dǎo)材料制成的量子芯片原型電路。2020年8月，實現(xiàn)了64位量子體積的量子計算機，量子體積是IBM提出的用于測量量子計算機的強大程度的一個性能指標(biāo)。9月，IBM發(fā)布了一份野心勃勃的路線圖——在2023年年底，IBM可以構(gòu)建出1000 量子比特的量子硬件。
英特爾則一直在研究多種量子位類型，包括超導(dǎo)量子位、硅自旋量子位等。2018年，英特爾成功設(shè)計、制造和交付49量子比特的超導(dǎo)量子計算測試芯片Tangle Lake，算力等于5000顆8代i7，并且允許研究人員評估改善誤差修正技術(shù)和模擬計算問題。
我國亦在持續(xù)加碼相關(guān)投入，可以說，對于中國而言，要想在科技上占據(jù)話語權(quán)，要想真正的實現(xiàn)科技領(lǐng)域的超車，量子科學(xué)是非常關(guān)鍵的技術(shù)。根據(jù)“十四五”規(guī)劃，當(dāng)前，我國已將量子信息納入國家戰(zhàn)略科技力量和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快布局量子計算、量子通信、神經(jīng)芯片、DNA存儲等前沿技術(shù)，加強信息科學(xué)與生命科學(xué)、材料等基礎(chǔ)學(xué)科的交叉創(chuàng)新。
我國在量子計算獲得的突破和成就是顯著的。2020年12月，中國首次宣稱實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性。中國科學(xué)團(tuán)隊制造了的名為“九章”的量子計算機，可以在幾分鐘內(nèi)完成一個特定的計算，而世界上最強大的超級計算機需要20多億年才能完成。
不久前，中國又宣布成功研制113個光子的“九章二號”量子計算原型機，根據(jù)現(xiàn)已正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法理論，“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快1024倍。同時，66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”實現(xiàn)超導(dǎo)體系“量子計算優(yōu)越性”，計算復(fù)雜度比谷歌“懸鈴木”還提高了6個數(shù)量級。
盡管從實驗室到現(xiàn)實仍有距離，但量子科學(xué)的發(fā)展對人類文明帶來的重構(gòu)是毋庸置疑的，尤其是量子糾纏、多維空間以及時空穿梭的探索，當(dāng)這些技術(shù)不斷的被驗證、被實現(xiàn)的時候，對當(dāng)前所構(gòu)建的物理學(xué)以及在當(dāng)前物理學(xué)基礎(chǔ)上所發(fā)展起來的科學(xué)認(rèn)知觀念都將被更新。就像太空探索一樣，人們終將登上月球。
