新華社北京1月22日電特稿:量子計(jì)算,一場(chǎng)接近“突破點(diǎn)”的競(jìng)逐

新華社記者楊駿 黃堃

5量子比特、10量子比特、50量子比特,一場(chǎng)你追我趕、爭(zhēng)相領(lǐng)先的激烈競(jìng)逐近年來(lái)正在量子計(jì)算領(lǐng)域上演。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要100年才能破解的難題,量子計(jì)算機(jī)可能僅需1秒,如此“洪荒之力”、酷炫前景各國(guó)豈能袖手旁觀?

去年底,美國(guó)IBM公司宣布推出全球首款50量子比特的量子計(jì)算原型機(jī),量子計(jì)算領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入關(guān)鍵階段。

聰者聽(tīng)于無(wú)聲,明者見(jiàn)于未形

當(dāng)魔幻般的理論在現(xiàn)實(shí)中推動(dòng)進(jìn)步,各國(guó)的科研實(shí)力體現(xiàn)無(wú)疑。

在IBM公司宣布成果的半年前,中國(guó)科學(xué)家已發(fā)布世界首臺(tái)超越早期傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏,在操縱質(zhì)量上也是全球領(lǐng)先。

從個(gè)位數(shù)到幾十量子比特的進(jìn)展,各國(guó)你追我趕,這到底是為什么?

從1970年到2005年,正如摩爾定律預(yù)測(cè)的一樣,每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)的性能也相應(yīng)提升近一倍。但2005年后這種趨勢(shì)就開(kāi)始放緩,極其微小的集成電路面臨散熱等問(wèn)題考驗(yàn)。

如果按這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展,當(dāng)集成電路的尺寸接近原子級(jí)別的時(shí)候,電子的運(yùn)動(dòng)也不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律,這個(gè)時(shí)候量子力學(xué)將起到主導(dǎo)作用。

上世紀(jì)80年代,科學(xué)家就已預(yù)言問(wèn)題所在,并提出量子計(jì)算才是方向。這也不約而同成為各主要國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基本數(shù)據(jù)單位是比特,而量子計(jì)算機(jī)以量子比特衡量。有觀點(diǎn)認(rèn)為,如果量子計(jì)算機(jī)能有效操縱50個(gè)左右量子比特,能力即超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)了相對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“霸權(quán)”。這種“量子霸權(quán)”正是各科研機(jī)構(gòu)競(jìng)相追逐的目標(biāo)。

近來(lái),科技巨頭紛紛宣布重要進(jìn)展。除IBM的50量子比特計(jì)算機(jī)原型,英特爾也在1月份宣布研制49量子比特的測(cè)試芯片。但這些企業(yè)沒(méi)有發(fā)布詳細(xì)性能報(bào)告,用詞離不了“原型”和“測(cè)試”,更沒(méi)有宣稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

這是因?yàn)榱孔颖忍毓庥小皵?shù)量”不夠,還得有“質(zhì)量”,即通過(guò)糾纏等方式操縱量子比特互相關(guān)聯(lián),才能有效利用它們進(jìn)行量子計(jì)算。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)去年5月實(shí)現(xiàn)的10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏,就是有“質(zhì)量”的量子比特,但離“量子霸權(quán)”還有相當(dāng)距離。

“很顯然,建造量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在是一個(gè)世界范圍內(nèi)的競(jìng)賽。”美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿倫森說(shuō)。他認(rèn)為,未來(lái)一年左右將可能有人贏得“量子霸權(quán)”競(jìng)賽。

長(zhǎng)風(fēng)破浪會(huì)有時(shí),直掛云帆濟(jì)滄海

人類已進(jìn)入一個(gè)能看到量子計(jì)算機(jī)將要“出生”的時(shí)間段。中國(guó)科學(xué)院院士、量子計(jì)算專家、圖靈獎(jiǎng)獲得者姚期智說(shuō),這是“最后一公里”,但也是一個(gè)非常艱難的過(guò)程。

業(yè)內(nèi)專家指出,量子計(jì)算需要克服環(huán)境噪聲、比特錯(cuò)誤和實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的普適量子糾錯(cuò)等一系列難題,真正量子計(jì)算機(jī)研發(fā)挑戰(zhàn)巨大。

那么量子計(jì)算到底魅力何在,讓全球都不愿錯(cuò)失良機(jī)?

起源于1900年普朗克所提理論的量子力學(xué),描述了看似魔法的物理現(xiàn)象。在微觀尺度上,一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài),而不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的比特只能處于0和1中的一種狀態(tài)。

這樣的一些特性,讓量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。美國(guó)谷歌公司等機(jī)構(gòu)在2015年宣布,它們的“D波”(D-Wave)量子模擬機(jī)對(duì)某些問(wèn)題的求解速度已達(dá)到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的1億倍。雖然它并不被認(rèn)為是真正的量子計(jì)算機(jī),但量子計(jì)算的巨大潛力已經(jīng)顯露。

為加速進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)陣營(yíng),各國(guó)政府紛紛加大投入。歐盟在2016年宣布投入10億歐元支持量子計(jì)算研究,美國(guó)僅政府的投資即達(dá)每年3.5億美元。中國(guó)也在大力投入,目前正在籌建量子信息國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,一期總投資約70億元。

如果“量子霸權(quán)”實(shí)現(xiàn),人類計(jì)算能力將迎來(lái)飛躍,接下來(lái)就會(huì)是在多個(gè)領(lǐng)域的推廣。一些行業(yè)巨頭已經(jīng)盯上了量子計(jì)算未來(lái)應(yīng)用:阿里巴巴建立了量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室;中科院與阿里云合作發(fā)布量子計(jì)算云平臺(tái);IBM也在去年宣布計(jì)劃建立業(yè)界首個(gè)商用通用量子計(jì)算平臺(tái)IBM Q,還與摩根大通等公司合作計(jì)劃在2021年前推出首個(gè)在金融領(lǐng)域的量子計(jì)算應(yīng)用。

更不用說(shuō)在軍事、安全等敏感領(lǐng)域,量子計(jì)算一旦成熟,就可以攻破需要大量計(jì)算的傳統(tǒng)難題,比如密碼破解等。

“我相信量子技術(shù)在21世紀(jì)的重要性可與上個(gè)世紀(jì)的曼哈頓計(jì)劃相比?！敝孔涌茖W(xué)家潘建偉院士說(shuō)。也就是說(shuō),量子技術(shù)可能像曼哈頓計(jì)劃造出原子彈那樣改變世界格局。

潘建偉等中國(guó)科研人員正在不斷取得成果,在光與冷原子系統(tǒng)、超導(dǎo)系統(tǒng)等多種量子計(jì)算技術(shù)路線上同時(shí)發(fā)展,希望在未來(lái)10年,實(shí)現(xiàn)上百量子比特的糾纏。

潘建偉曾用“筍”來(lái)比喻中國(guó)量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展。因?yàn)楣S尖剛長(zhǎng)出來(lái)時(shí)進(jìn)展較為緩慢,一旦長(zhǎng)起來(lái)便越來(lái)越快。他說(shuō)中國(guó)的量子計(jì)算就如“春筍”,“我們的爆發(fā)式增長(zhǎng)也已到了‘相變點(diǎn)’”。