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量子世界的特性，如疊加性、量子糾纏等，是量子計(jì)算機(jī)優(yōu)越性能的物理根源。量子計(jì)算不僅具有加速運(yùn)算的功能，而且可以將某些在電子計(jì)算機(jī)上難解的問(wèn)題變換為可解的問(wèn)題。
當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)正處在“專(zhuān)用機(jī)”階段。盡管如此，將量子專(zhuān)用機(jī)與電子超級(jí)計(jì)算機(jī)相結(jié)合，采用量子—經(jīng)典混合算法，依然可以大大提升運(yùn)算速度，起到量子賦能的效果。這也正是相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱玫闹髁髯龇ā?/p>
量子計(jì)算正逐步應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)信息安全、大數(shù)據(jù)和人工智能、化學(xué)生物制藥、金融工程、智能制造等領(lǐng)域，將在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮巨大作用。
近年來(lái)，隨著量子信息學(xué)的發(fā)展，“量子”成為人們津津樂(lè)道的話(huà)題，甚至被披上神秘的面紗。只有客觀認(rèn)識(shí)量子世界，才能科學(xué)地將對(duì)量子世界的認(rèn)知應(yīng)用到人類(lèi)生活中。
客觀地說(shuō)，量子信息技術(shù)時(shí)代尚未到來(lái)。決定其到來(lái)時(shí)間的關(guān)鍵要素之一，是量子計(jì)算。只有當(dāng)通用量子計(jì)算機(jī)得到廣泛應(yīng)用時(shí)，我們才能說(shuō)人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入量子信息技術(shù)時(shí)代。
量子計(jì)算的算力指數(shù)級(jí)超越電子計(jì)算
目前，我們將物理世界分為兩類(lèi)：凡是遵從經(jīng)典物理學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱(chēng)為經(jīng)典世界；遵從量子力學(xué)的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱(chēng)為量子世界。這兩個(gè)物理世界有著截然不同的特性，前者每個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)和物理量都是確定的，后者則都是不確定的。今天人們常用的電子計(jì)算機(jī)遵從經(jīng)典物理定律運(yùn)行，而量子計(jì)算機(jī)則是源于量子力學(xué)的量子器件，其工作原理遵從量子力學(xué)。
具體來(lái)說(shuō)，在經(jīng)典物理中，物理量在某一個(gè)時(shí)刻具有確定值，因此信息單元要么是0要么是1，稱(chēng)為比特。這是電子計(jì)算機(jī)信息處理的單元。電子芯片中的晶體管，通電流狀態(tài)代表1，不通代表0。而量子物理具有一個(gè)特征，就是不確定性，即某一個(gè)時(shí)刻物理客體的物理量不具有確定值。因此，和經(jīng)典物理的信息單元不同，量子信息單元不是0或1，而是表征0的狀態(tài)和表征1的狀態(tài)的疊加，稱(chēng)為量子比特。每一個(gè)量子比特表征兩個(gè)經(jīng)典數(shù)據(jù)。
量子比特的物理載體也不是晶體管，而是同時(shí)具有兩種狀態(tài)的物理客體，如電子的自旋、光子的偏振、兩能級(jí)的原子等。量子比特就是兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。量子比特的狀態(tài)不同，就表示它所表征的信息不相同。設(shè)想電子芯片有n個(gè)比特，由于每個(gè)比特具有確定值，因此它存儲(chǔ)一個(gè)經(jīng)典數(shù)據(jù)；而含有N個(gè)量子比特的量子芯片，由于每個(gè)量子比特表征兩個(gè)經(jīng)典數(shù)據(jù)，因此n個(gè)量子比特的量子芯片就存儲(chǔ)了2n個(gè)經(jīng)典數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)，正是量子的不確定性使得其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力是電子芯片的2n倍。
計(jì)算機(jī)操作實(shí)際上是對(duì)芯片所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的改變，電子計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的操作大大不同。前者每操作一次，只能改變一個(gè)數(shù)據(jù)，運(yùn)算過(guò)程是一個(gè)一個(gè)數(shù)據(jù)的改變，稱(chēng)為串行運(yùn)算。后者每操作一次，可能將量子芯片中存儲(chǔ)的2n個(gè)經(jīng)典數(shù)據(jù)同時(shí)變換成2n個(gè)新數(shù)據(jù)。這就是量子計(jì)算機(jī)具有并行運(yùn)算能力的物理基礎(chǔ)。
量子計(jì)算機(jī)處理某個(gè)函數(shù)的速度取決于量子算法。應(yīng)用量子糾纏可以開(kāi)發(fā)出有效的量子算法，將量子計(jì)算機(jī)并行運(yùn)算能力體現(xiàn)在實(shí)際的信息處理過(guò)程中，使量子計(jì)算機(jī)的算法以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)超越電子計(jì)算機(jī)。量子世界的特性，如疊加性、量子糾纏等，是量子計(jì)算機(jī)優(yōu)越性能的物理根源。量子計(jì)算不僅具有加速運(yùn)算的功能，而且可以將某些在電子計(jì)算機(jī)上難解的問(wèn)題(如大數(shù)因子分解)變換為可解的問(wèn)題?？梢哉f(shuō)，量子計(jì)算機(jī)的算力之于電子計(jì)算機(jī)，好比電子計(jì)算機(jī)的算力之于舊時(shí)的算盤(pán)。
量子計(jì)算技術(shù)正逐步走向行業(yè)應(yīng)用
我們知道從算盤(pán)時(shí)代發(fā)展到當(dāng)今的電子計(jì)算機(jī)時(shí)代，人類(lèi)社會(huì)發(fā)生了翻天覆地的變化，一旦從電子計(jì)算機(jī)過(guò)渡到量子計(jì)算機(jī)時(shí)代，人類(lèi)社會(huì)又將再次經(jīng)歷巨大變化。當(dāng)前，量子計(jì)算正逐步應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)信息安全、大數(shù)據(jù)和人工智能、化學(xué)生物制藥、金融工程、智能制造等領(lǐng)域，將在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮巨大作用。
認(rèn)識(shí)到量子計(jì)算對(duì)人類(lèi)社會(huì)的巨大影響，當(dāng)前許多國(guó)家都在開(kāi)展量子計(jì)算研究。2016年，全球首個(gè)量子計(jì)算在線平臺(tái)公布。這一平臺(tái)搭載5個(gè)量子比特的量子處理器，可供全世界用戶(hù)使用，有大約30萬(wàn)人通過(guò)“云方式”體驗(yàn)量子計(jì)算。2019年，全球首套商用量子計(jì)算機(jī)(20個(gè)量子比特)推出，目前已有30多臺(tái)商用產(chǎn)品供使用。同年，使用53個(gè)量子比特的量子處理器出現(xiàn)：在偽隨機(jī)量子采樣任務(wù)中，量子計(jì)算機(jī)用了大約200秒的時(shí)間完成運(yùn)行，而當(dāng)時(shí)最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)需1萬(wàn)年才能完成相應(yīng)任務(wù)。我國(guó)清華大學(xué)與浙江大學(xué)成功合作研制出121個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。2022年則出現(xiàn)了當(dāng)下最強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)，擁有433個(gè)量子比特。
如今，量子計(jì)算機(jī)研制和應(yīng)用已經(jīng)成為各國(guó)戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)之一，量子計(jì)算技術(shù)正走出實(shí)驗(yàn)室，走向行業(yè)應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有100多家量子計(jì)算公司，量子計(jì)算發(fā)展呈現(xiàn)一派蓬勃景象。在我國(guó)，近年來(lái)一些量子計(jì)算機(jī)構(gòu)相繼成立，取得的發(fā)明專(zhuān)利數(shù)不斷攀升，24量子比特、64量子比特等商用量子計(jì)算機(jī)陸續(xù)問(wèn)世，國(guó)產(chǎn)量子操作系統(tǒng)以及量子操控裝置研制成功，推動(dòng)著量子計(jì)算機(jī)在我國(guó)的工程化應(yīng)用。
量子計(jì)算機(jī)是宏觀的量子器件，環(huán)境不可避免地會(huì)破壞量子特性，導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)喪失并行運(yùn)算能力，這種“消相干”是量子計(jì)算機(jī)研制和應(yīng)用的主要障礙?？茖W(xué)家提出“容錯(cuò)糾錯(cuò)編碼原理”，理論上解決了這個(gè)難題，但由于人類(lèi)尚未掌握精確的量子操控能力，因此實(shí)際技術(shù)難以做到。目前所使用的量子計(jì)算機(jī)，實(shí)際上是含有噪聲的中等規(guī)模專(zhuān)用機(jī)。人類(lèi)最終目標(biāo)是成功研制通用量子計(jì)算機(jī)，為此量子比特應(yīng)達(dá)到百萬(wàn)級(jí)，而且需要采用“容錯(cuò)糾錯(cuò)”技術(shù)。這大約還要10年以上的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)正處在“專(zhuān)用機(jī)”階段。盡管如此，將量子專(zhuān)用機(jī)與電子超級(jí)計(jì)算機(jī)相結(jié)合，采用量子—經(jīng)典混合算法，依然可以大大提升運(yùn)算速度，起到量子賦能的效果。這也正是相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱玫闹髁髯龇?。期待我?guó)在不斷使用中提升量子專(zhuān)用機(jī)的性能，形成“研制—使用”的良好發(fā)展生態(tài)。這需要我們準(zhǔn)確分析量子計(jì)算軟硬件技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用前景，科學(xué)合理制定整體發(fā)展戰(zhàn)略，明確近期、中長(zhǎng)期目標(biāo)，分階段投入并考核，以推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)更好更快發(fā)展，助力我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)。
(作者為中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授)
推薦讀物：
《量子計(jì)算與編程入門(mén)》：郭國(guó)平、陳昭昀、郭光燦著；科學(xué)出版社出版。
《顛覆——迎接第二次量子革命》：郭光燦著；科學(xué)出版社出版。
《量子計(jì)算：一種應(yīng)用方法》：杰克·希德里著；人民郵電出版社出版。
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