量子計算：第四次工業(yè)革命的引擎

經典計算機需要100年才能破譯的密碼，量子計算機用1秒鐘就能搞定。

也正是看到了這樣的“洪荒之力”，各大巨頭開始入局量子計算。2017年底，IBM稱已成功研制出50個量子比特的量子計算處理器樣機。據報道，谷歌正在研究49個量子比特的芯片，英特爾、微軟也加大了對量子計算的投入。

我國科學家也加快了研發(fā)步伐，中國科學技術大學潘建偉與陸朝陽課題組于2017年成功研制出世界首臺超越早期傳統(tǒng)計算機的量子計算機。

“量子計算力”正緩緩襲來。

“量子計算將成為第四次工業(yè)革命的引擎。”近日，中國科學院物理研究所研究員、北京凝聚態(tài)國家實驗室常務副主任和首席科學家丁洪在接受科技日報記者采訪時表示，就像1947年誕生的三極管一樣，量子計算或成為下一代顛覆性技術。

“不明覺厲”的量子計算到底是什么呢?

突破傳統(tǒng)計算瓶頸

從1970年到2005年，計算機的發(fā)展正如摩爾定律預測的一樣，每隔18個月，集成電路上可容納的元器件數目約增加一倍，計算機的計算性能也提升一倍。

“但2005年以后這種趨勢就開始放緩。”丁洪介紹，目前晶體管已進入了納米尺度時代，摩爾定律逐漸失效。

計算機發(fā)展的瓶頸主要有兩個。首先，隨著晶體管體積不斷縮小，計算機可容納的元器件數量越來越多，產生的熱量也隨之增多。其次，隨著元器件體積變小，電子會穿過元器件，發(fā)生量子隧穿效應，這導致了經典計算機的比特開始變得不穩(wěn)定。

什么是隧穿效應?丁洪打了一個比方。“就像穿墻術一樣。在宏觀世界，跳高運動員如遇到障礙，可以自己跳過去。但在量子世界，不需要這么高超的技巧。遇到障礙，可以穿過去。只不過，物質本身要足夠小，障礙要足夠薄。”他說。

量子計算機的出現(xiàn)，巧妙地解決了計算機發(fā)展的瓶頸問題。丁洪說，從原理來看，量子計算機是可逆計算機，不會丟失信息。經典計算機則是不可逆計算機，不可逆計算過程中每個比特的操作都會有熱損耗。

“但量子計算機不會取代經典計算機。”丁洪說，兩者的應用對象不同，互為補充，它們的關系就像白熾燈和激光一樣。白熾燈和激光都能發(fā)光，具有相關性，但我們并不用激光替代白熾燈去照明，量子計算機也是如此的。

顛覆常識的量子世界

量子物理看似高冷，卻早已走進我們的生活，像手機、計算機、LED等都用到了量子物理相關技術。“原子、光子、電子都是量子。”丁洪說，量子是構成物質的基本單元，是能量的最基本攜帶者。量子疊加和量子糾纏是量子物理區(qū)別于經典物理的地方。

什么是量子疊加?丁洪舉了個例子，在經典物理中，從宏觀角度來看，任何物質的“態(tài)”都是確定的。比如，將一本書放在桌子上，不是正面就是反面。在量子世界中，書卻可以是正面的也可以是反面的，成為一個不確定的疊加態(tài)。

同樣，電子自旋也有疊加態(tài)。電子的自旋，方向可能是向上，也可能是向下。它的疊加態(tài)就是一半向上一半向下，是不確定的。

過去，人們一直沒發(fā)現(xiàn)其中的問題，直到提出“薛定諤的貓”這一實驗。薛定諤提出設計一個實驗，在籠子里放一只貓，里面放置一個毒氣瓶。裝置里有一個開關，用電子的自旋狀態(tài)去控制。如果它自旋向上就會將開關打開，放出毒氣毒死貓;如果自旋向下，貓就是安全的。

那么問題來了，如果電子處于疊加態(tài)，貓是死是活?答案是：貓一半是活的，一半是死的。

量子糾纏則更為玄妙。兩個糾纏的粒子，不管距離多遠，對其中一個粒子進行觀測就會即時影響到其它粒子。“量子糾纏就像在量子世界打了一個蟲洞。”說到如何理解量子糾纏，丁洪用電影《星際穿越》中的蟲洞打了個比方。

擁有指數級計算能力

中國科學院郭光燦院士曾這樣解釋量子計算機的計算能力。他說，量子比特可以制備兩個邏輯態(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。考慮一個N個物理比特的存儲器，若它是經典存儲器，則它只能存儲2N個可能數據當中的某一個;若它是量子存儲器，則它可同時存儲2N個數據。而且隨著N的增加，其存儲信息的能力將呈指數級上升。

關于指數級增長的威力，丁洪講了一個故事。在古代印度，一位老人帶著他發(fā)明的國際象棋去見國王。國王非常高興，決定賞賜他東西。老人卻表示，國王無法滿足自己的要求。老人的愿望是什么?

在棋盤的第一格上放1粒小麥，第二格上放2粒小麥，第三格上放4粒，第四格上放8粒……一直到第六十四格為止。結果卻發(fā)現(xiàn)，這是個天文數字。

為了開發(fā)量子計算機強大的并行計算能力，上世紀90年代科學家們提出了無序數據庫搜索和大數因子分解兩種算法。

發(fā)展勢頭迅猛

量子計算不僅可應用于人工智能領域，提升機器學習效率，還能應對復雜情況，如實現(xiàn)天氣的精準預測。生活中的諸多不便如交通擁堵，也能依靠其算法解決。

“(量子計算)發(fā)展非常迅速。”丁洪說，以前普遍認為量子計算機是三、五十年之后才能出現(xiàn)的。按照現(xiàn)在的發(fā)展速度，可能三五年后就會出現(xiàn)。

目前谷歌、微軟、英特爾、IBM、阿里巴巴等國際巨頭都積極參與到量子計算機的研究中。2017年12月13日，IBM宣布將與三星、摩根大通和巴克萊銀行等12家主要公司合作，共同開發(fā)商用量子計算。

為加速進入量子計算機陣營，各國政府也是“不惜血本”。2013年到2015年的財政預算顯示，歐盟在該領域的投入達48億元，美國投入31.5億元用于量子計算機的研發(fā)，我國也投入19億元推進量子領域的發(fā)展。目前我國正在籌建量子信息科學國家實驗室，一期建設用地810畝，一期總投資70億元。(記者 翟冬冬)