科研人員在檢查量子計算機低溫處理設(shè)備。

說起顛覆性技術(shù)，量子計算機都是當(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。

“在量子計算機面前，傳統(tǒng)的計算機就像‘算盤’”

近段時間，量子計算機領(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，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?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。

人們對量子計算機充滿期待，與傳統(tǒng)計算機遭遇瓶頸不無關(guān)系。近年來，傳統(tǒng)計算機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)。”中科院院士、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，使得量子計算機可以分身為800萬臺計算機同時尋找。“在量子計算機面前，傳統(tǒng)的計算機就像‘算盤’。”郭光燦表示。

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)，最大限度避免道路擁堵。

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)典計算機發(fā)展進(jìn)程來衡量，現(xiàn)在量子計算機處于早期的‘電子管時代’”

量子計算機雖然前景廣闊，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，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。而這些不同的體系，造就了量子計算機不同的技術(shù)實現(xiàn)路線。

量子計算機走向?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。“提高比特數(shù)量的同時，又不降低保真度，是學(xué)術(shù)界聚焦的難題。”鄭亞銳說。

“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。”張輝說。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)量子計算機研制的同時，為未來量子計算機與經(jīng)典計算機的潛在融合做準(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)典計算機性能不斷提升。“如果以經(jīng)典計算機發(fā)展進(jìn)程來衡量，現(xiàn)在量子計算機處于早期的‘電子管時代’。”張輝說，現(xiàn)在量子計算機還很“笨”，比智能手機、手提電腦的速度要慢得多。量子計算機也要經(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，不能單單證明它能比經(jīng)典計算機做得好，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。

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)者的機遇。“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。誰先把量子計算機搞出來，誰就占據(jù)了量子信息時代的制高點。”

開發(fā)量子計算機門檻較高。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。量子計算機是一個整體，芯片之外，測控、軟件、算法等同樣應(yīng)高度重視。“哪怕幾根導(dǎo)線之間微弱的干擾，都會影響整體計算性能。”

量子計算機與經(jīng)典計算機不是對抗關(guān)系，不會全面替代經(jīng)典計算機。“玩電腦游戲，我們永遠(yuǎn)用不著量子計算機。”張輝說，經(jīng)典計算機發(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的發(fā)展機遇。(記者 喻思南)

關(guān)鍵詞： 量子計算機 量子芯片