量子計(jì)算：1秒完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)100年的任務(wù)量

量子計(jì)算：1秒完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)100年的任務(wù)量

1秒完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)100年的任務(wù)量

量子計(jì)算：第四次工業(yè)革命的引擎

經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要100年才能破譯的密碼，量子計(jì)算機(jī)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(kāi)始入局量子計(jì)算。2017年底，IBM稱已成功研制出50個(gè)量子比特的量子計(jì)算處理器樣機(jī)。據(jù)報(bào)道，谷歌正在研究49個(gè)量子比特的芯片，英特爾、微軟也加大了對(duì)量子計(jì)算的投入。

我國(guó)科學(xué)家也加快了研發(fā)步伐，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉與陸朝陽(yáng)課題組于2017年成功研制出世界首臺(tái)超越早期傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。

“量子計(jì)算力”正緩緩襲來(lái)。

“量子計(jì)算將成為第四次工業(yè)革命的引擎。”近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、北京凝聚態(tài)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任和首席科學(xué)家丁洪在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，就像1947年誕生的三極管一樣，量子計(jì)算或成為下一代顛覆性技術(shù)。

“不明覺(jué)厲”的量子計(jì)算到底是什么呢？

突破傳統(tǒng)計(jì)算瓶頸

從1970年到2005年，計(jì)算機(jī)的發(fā)展正如摩爾定律預(yù)測(cè)的一樣，每隔18個(gè)月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能也提升一倍。

“但2005年以后這種趨勢(shì)就開(kāi)始放緩。”丁洪介紹，目前晶體管已進(jìn)入了納米尺度時(shí)代，摩爾定律逐漸失效。

計(jì)算機(jī)發(fā)展的瓶頸主要有兩個(gè)。首先，隨著晶體管體積不斷縮小，計(jì)算機(jī)可容納的元器件數(shù)量越來(lái)越多，產(chǎn)生的熱量也隨之增多。其次，隨著元器件體積變小，電子會(huì)穿過(guò)元器件，發(fā)生量子隧穿效應(yīng)，這導(dǎo)致了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特開(kāi)始變得不穩(wěn)定。

什么是隧穿效應(yīng)？丁洪打了一個(gè)比方。“就像穿墻術(shù)一樣。在宏觀世界，跳高運(yùn)動(dòng)員如遇到障礙，可以自己跳過(guò)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(guò)去。只不過(guò)，物質(zhì)本身要足夠小，障礙要足夠薄。”他說(shuō)。

量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，巧妙地解決了計(jì)算機(jī)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。丁洪說(shuō)，從原理來(lái)看，量子計(jì)算機(jī)是可逆計(jì)算機(jī)，不會(huì)丟失信息。經(jīng)典計(jì)算機(jī)則是不可逆計(jì)算機(jī)，不可逆計(jì)算過(guò)程中每個(gè)比特的操作都會(huì)有熱損耗。

“但量子計(jì)算機(jī)不會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。”丁洪說(shuō)，兩者的應(yīng)用對(duì)象不同，互為補(bǔ)充，它們的關(guān)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(guān)性，但我們并不用激光替代白熾燈去照明，量子計(jì)算機(jī)也是如此的。

顛覆常識(shí)的量子世界

量子物理看似高冷，卻早已走進(jìn)我們的生活，像手機(jī)、計(jì)算機(jī)、LED等都用到了量子物理相關(guān)技術(shù)。“原子、光子、電子都是量子。”丁洪說(shuō)，量子是構(gòu)成物質(zhì)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(jīng)典物理的地方。

什么是量子疊加？丁洪舉了個(gè)例子，在經(jīng)典物理中，從宏觀角度來(lái)看，任何物質(zhì)的“態(tài)”都是確定的。比如，將一本書(shū)放在桌子上，不是正面就是反面。在量子世界中，書(shū)卻可以是正面的也可以是反面的，成為一個(gè)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(guò)去，人們一直沒(méi)發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題，直到提出“薛定諤的貓”這一實(shí)驗(yàn)。薛定諤提出設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在籠子里放一只貓，里面放置一個(gè)毒氣瓶。裝置里有一個(gè)開(kāi)關(guān)，用電子的自旋狀態(tài)去控制。如果它自旋向上就會(huì)將開(kāi)關(guān)打開(kāi)，放出毒氣毒死貓；如果自旋向下，貓就是安全的。

那么問(wèn)題來(lái)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(gè)糾纏的粒子，不管距離多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行觀測(cè)就會(huì)即時(shí)影響到其它粒子。“量子糾纏就像在量子世界打了一個(gè)蟲(chóng)洞。”說(shuō)到如何理解量子糾纏，丁洪用電影《星際穿越》中的蟲(chóng)洞打了個(gè)比方。

擁有指數(shù)級(jí)計(jì)算能力

中國(guó)科學(xué)院郭光燦院士曾這樣解釋量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。他說(shuō)，量子比特可以制備兩個(gè)邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，它可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1。考慮一個(gè)N個(gè)物理比特的存儲(chǔ)器，若它是經(jīng)典存儲(chǔ)器，則它只能存儲(chǔ)2N個(gè)可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的某一個(gè)；若它是量子存儲(chǔ)器，則它可同時(shí)存儲(chǔ)2N個(gè)數(shù)據(jù)。而且隨著N的增加，其存儲(chǔ)信息的能力將呈指數(shù)級(jí)上升。

關(guān)于指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的威力，丁洪講了一個(gè)故事。在古代印度，一位老人帶著他發(fā)明的國(guó)際象棋去見(jiàn)國(guó)王。國(guó)王非常高興，決定賞賜他東西。老人卻表示，國(guó)王無(wú)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(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，這是個(gè)天文數(shù)字。

為了開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，上世紀(jì)90年代科學(xué)家們提出了無(wú)序數(shù)據(jù)庫(kù)搜索和大數(shù)因子分解兩種算法。

發(fā)展勢(shì)頭迅猛

量子計(jì)算不僅可應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域，提升機(jī)器學(xué)習(xí)效率，還能應(yīng)對(duì)復(fù)雜情況，如實(shí)現(xiàn)天氣的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。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(jì)算)發(fā)展非常迅速。”丁洪說(shuō)，以前普遍認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)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(huì)出現(xiàn)。

目前谷歌、微軟、英特爾、IBM、阿里巴巴等國(guó)際巨頭都積極參與到量子計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)商用量子計(jì)算。

為加速進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)陣營(yíng)，各國(guó)政府也是“不惜血本”。2013年到2015年的財(cái)政預(yù)算顯示，歐盟在該領(lǐng)域的投入達(dá)48億元，美國(guó)投入31.5億元用于量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，我國(guó)也投入19億元推進(jìn)量子領(lǐng)域的發(fā)展。目前我國(guó)正在籌建量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，一期建設(shè)用地810畝，一期總投資70億元。

（本報(bào)記者 翟冬冬）