量子計(jì)算：第四次工業(yè)革命的引擎

　　2017年10月11日，中國科學(xué)院院士潘建偉在杭州云棲大會上作有關(guān)量子計(jì)算的演講。

　　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”，各大巨頭開始入局量子計(jì)算。2017年底，IBM稱已成功研制出50個量子比特的量子計(jì)算處理器樣機(jī)。據(jù)報(bào)道，谷歌正在研究49個量子比特的芯片，英特爾、微軟也加大了對量子計(jì)算的投入。

　　我國科學(xué)家也加快了研發(fā)步伐，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。

　　“量子計(jì)算力”正緩緩襲來。

　　“量子計(jì)算將成為第四次工業(yè)革命的引擎?！苯?，中國科學(xué)院物理研究所研究員、北京凝聚態(tài)國家實(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報(bào)記者采訪時表示，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)測的一樣，每隔18個月，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年以后這種趨勢就開始放緩?！倍『榻榻B，目前晶體管已進(jìn)入了納米尺度時代，摩爾定律逐漸失效。

　　計(jì)算機(jī)發(fā)展的瓶頸主要有兩個。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，電子會穿過元器件，發(fā)生量子隧穿效應(yīng)，這導(dǎo)致了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特開始變得不穩(wěn)定。

　　什么是隧穿效應(yīng)？丁洪打了一個比方?！熬拖翊πg(shù)一樣。在宏觀世界，跳高運(yùn)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(zhì)本身要足夠小，障礙要足夠薄?！彼f。

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

　　“但量子計(jì)算機(jī)不會取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)?！倍『檎f，兩者的應(yīng)用對象不同，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)?！霸?、光子、電子都是量子?！倍『檎f，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？丁洪舉了個例子，在經(jīng)典物理中，從宏觀角度來看，任何物質(zhì)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(shí)驗(yàn)。薛定諤提出設(shè)計(jì)一個實(shí)驗(yàn)，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(guān)，用電子的自旋狀態(tài)去控制。如果它自旋向上就會將開關(guān)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(yuǎn)，對其中一個粒子進(jìn)行觀測就會即時影響到其它粒子?！傲孔蛹m纏就像在量子世界打了一個蟲洞?！闭f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(shù)級計(jì)算能力

　　中國科學(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，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?？紤]一個N個物理比特的存儲器，若它是經(jīng)典存儲器，則它只能存儲2N個可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的某一個；若它是量子存儲器，則它可同時存儲2N個數(shù)據(jù)。而且隨著N的增加，其存儲信息的能力將呈指數(shù)級上升。

　　關(guān)于指數(shù)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(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，這是個天文數(shù)字。

　　為了開發(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)家們提出了無序數(shù)據(jù)庫搜索和大數(shù)因子分解兩種算法。

　　發(fā)展勢頭迅猛

　　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)對復(fù)雜情況，如實(shí)現(xiàn)天氣的精準(zhǔn)預(yù)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(jì)算）發(fā)展非常迅速?！倍『檎f，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(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，共同開發(fā)商用量子計(jì)算。

　　為加速進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)陣營，各國政府也是“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，美國投入31.5億元用于量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，我國也投入19億元推進(jìn)量子領(lǐng)域的發(fā)展。目前我國正在籌建量子信息科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，一期建設(shè)用地810畝，一期總投資70億元。（記者翟冬冬）

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