科研人員在檢查量子計(jì)算機(jī)低溫處理設(shè)備。

說(shuō)起顛覆性技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)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(jì)算系統(tǒng)的設(shè)想，此后科技界就沒(méi)有停止過(guò)探索。量子計(jì)算機(jī)究竟有何能耐，如今走到了哪一步?記者采訪了相關(guān)專(zhuān)家。

“在量子計(jì)算機(jī)面前，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)就像‘算盤(pán)’”

近段時(shí)間，量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域頻頻傳來(lái)重要進(jìn)展：美國(guó)霍尼韋爾公司表示研發(fā)出64量子體積的量子計(jì)算機(jī)，性能是上一代的兩倍;我國(guó)本源量子計(jì)算公司與中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等研究團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)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(jì)算機(jī)?簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就屬于量子計(jì)算機(jī)。

人們對(duì)量子計(jì)算機(jī)充滿(mǎn)期待，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)遭遇瓶頸不無(wú)關(guān)系。近年來(lái)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)性能增長(zhǎng)越來(lái)越困難，探索全新物理原理的高性能計(jì)算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

“量子計(jì)算機(jī)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(shí)代的標(biāo)志性技術(shù)。”中科院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦說(shuō)，在微觀狀態(tài)下，量子是一個(gè)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(jì)算機(jī)用0和1儲(chǔ)存與處理數(shù)據(jù)，俗稱(chēng)經(jīng)典比特。量子計(jì)算機(jī)的神奇之處在于，它的基本計(jì)算單元——量子比特可以同時(shí)是0和1，即允許“疊加態(tài)”共存，從而擁有更強(qiáng)大的并行能力。舉個(gè)例子，假使在800萬(wàn)本書(shū)里找一個(gè)單詞，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的方法是一本一本地搜索，提高速度要用多個(gè)處理器來(lái)協(xié)同求解。而量子的疊加性質(zhì)，與二進(jìn)制算法的運(yùn)行邏輯不同，使得量子計(jì)算機(jī)可以分身為800萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)尋找。“在量子計(jì)算機(jī)面前，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)就像‘算盤(pán)’。”郭光燦表示。

據(jù)本源量子計(jì)算公司副總裁張輝介紹，在需要大規(guī)模計(jì)算的領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)可一展拳腳，如助力先進(jìn)材料制造和新能源開(kāi)發(fā)等。在藥物研發(fā)方面，量子計(jì)算機(jī)通過(guò)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(duì)付病毒的藥物;在公共交通領(lǐng)域，量子計(jì)算能夠迅速對(duì)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(jì)算應(yīng)用走出實(shí)驗(yàn)室，得益于它的工程化推進(jìn)。當(dāng)前，不少?lài)?guó)家都把量子計(jì)算當(dāng)作未來(lái)技術(shù)制高點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外知名的企業(yè)紛紛涉足量子計(jì)算，全球量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)公司超過(guò)百家。郭光燦表示，量子計(jì)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(shí)。

“如果以經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程來(lái)衡量，現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)處于早期的‘電子管時(shí)代’”

量子計(jì)算機(jī)雖然前景廣闊，但落地應(yīng)用仍是長(zhǎng)路漫漫。郭光燦指出，做出量子計(jì)算機(jī)需要滿(mǎn)足三個(gè)基本條件：量子芯片、量子編碼和量子算法。它們分別是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理系統(tǒng)、確保計(jì)算可靠性的處理系統(tǒng)和提高運(yùn)算速度的關(guān)鍵。

“做量子計(jì)算機(jī)，首先要足夠多的量子比特。”騰訊量子實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員鄭亞銳解釋說(shuō)。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(guò)長(zhǎng)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(diǎn)等，都存在量子效應(yīng)，意味著能夠用于開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)。而這些不同的體系，造就了量子計(jì)算機(jī)不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線。

量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱?，要控制多少個(gè)量子比特?鄭亞銳說(shuō)，一般認(rèn)為要控制100萬(wàn)個(gè)量子比特。但眼下，工業(yè)界能控制的量子比特還不超過(guò)100個(gè)。

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(jì)算機(jī)落地應(yīng)用的另一個(gè)重要障礙。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，要求較長(zhǎng)的相干時(shí)間(量子系統(tǒng)衰退的時(shí)間常數(shù))，以及非常高的保真度。“提高比特?cái)?shù)量的同時(shí)，又不降低保真度，是學(xué)術(shù)界聚焦的難題。”鄭亞銳說(shuō)。

“每一個(gè)體系都有優(yōu)缺點(diǎn)，到底哪條路線能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，大家心里也不清楚。”張輝說(shuō)。具體地說(shuō)，半導(dǎo)體量子點(diǎn)路線操控性方便，但相干時(shí)間很短;光學(xué)或者離子阱路線相干時(shí)間長(zhǎng)，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(lái)，學(xué)界對(duì)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(kāi)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(kāi)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(jì)算機(jī)研制的同時(shí)，為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)性能不斷提升。“如果以經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程來(lái)衡量，現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)處于早期的‘電子管時(shí)代’。”張輝說(shuō)，現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)還很“笨”，比智能手機(jī)、手提電腦的速度要慢得多。量子計(jì)算機(jī)也要經(jīng)歷一個(gè)發(fā)展過(guò)程。

“量子計(jì)算技術(shù)是顛覆性技術(shù)，關(guān)系到未來(lái)發(fā)展的基礎(chǔ)計(jì)算能力”

張輝認(rèn)為，真正衡量量子計(jì)算能力，是用它來(lái)解決問(wèn)題時(shí)，與經(jīng)典計(jì)算相比誰(shuí)消耗的資源更少。

“目前量子計(jì)算機(jī)還沒(méi)有找到比較合適的應(yīng)用場(chǎng)景。”金奇奐認(rèn)為，真正意義的量子計(jì)算機(jī)，不能單單證明它能比經(jīng)典計(jì)算機(jī)做得好，而是要做出更有價(jià)值的工作。如果只能處理某一個(gè)專(zhuān)門(mén)問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)只是一個(gè)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(jì)算機(jī)。

科學(xué)家預(yù)測(cè)，未來(lái)10至15年，科學(xué)界有可能操縱100量子比特，從而真正實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”。郭光燦說(shuō)，經(jīng)典信息技術(shù)時(shí)代，我國(guó)是跟蹤者、模仿者，量子計(jì)算是我國(guó)成為未來(lái)信息技術(shù)引領(lǐng)者的機(jī)遇。“量子計(jì)算技術(shù)是顛覆性技術(shù)，關(guān)系到未來(lái)發(fā)展的基礎(chǔ)計(jì)算能力。誰(shuí)先把量子計(jì)算機(jī)搞出來(lái)，誰(shuí)就占據(jù)了量子信息時(shí)代的制高點(diǎn)。”

開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)門(mén)檻較高。成立2年來(lái)，本源量子計(jì)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(jì)算就像一個(gè)山洞，不知道里面有沒(méi)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(guó)科學(xué)院與阿里巴巴集團(tuán)建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，共同在量子信息科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展前瞻性研究，這是國(guó)內(nèi)較早在量子計(jì)算上的布局。近些年，在量子計(jì)算領(lǐng)域，我國(guó)科研人員發(fā)表了不少有影響力的研究成果。在張輝看來(lái)，我國(guó)與國(guó)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(jì)算機(jī)是一個(gè)整體，芯片之外，測(cè)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(huì)影響整體計(jì)算性能。”

量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不是對(duì)抗關(guān)系，不會(huì)全面替代經(jīng)典計(jì)算機(jī)。“玩電腦游戲，我們永遠(yuǎn)用不著量子計(jì)算機(jī)。”張輝說(shuō)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展至今，已經(jīng)能處理日常中絕大部分任務(wù)，未來(lái)兩者應(yīng)該會(huì)相互融合。

郭光燦認(rèn)為，掌握量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)急不得，需要下真功夫。只有經(jīng)過(guò)深入細(xì)致鉆研，經(jīng)過(guò)技術(shù)沉淀，才有可能實(shí)現(xiàn)突破。尤其是要重視解決工程上的問(wèn)題，才有可能抓住量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展機(jī)遇。(記者 喻思南)

關(guān)鍵詞： 量子計(jì)算機(jī) 量子芯片