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      何為量子計算機?量子計算機潛力巨大

      2020-07-20 10:49:01    來源:人民日報

      科研人員在檢查量子計算機低溫處理設備。

      說起顛覆性技術,量子計算機都是當下科技界的閃耀明星。

      30多年前,物理學家提出了利用量子構建計算系統的設想,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?記者采訪了相關專家。

      “在量子計算機面前,傳統的計算機就像‘算盤’”

      近段時間,量子計算機領域頻頻傳來重要進展:美國霍尼韋爾公司表示研發出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隊合作,在國際上首次發現一種控制、讀取量子比特的新思路,為擴展量子比特提供了可能性……

      何為量子計算機?簡單地說,當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,與傳統計算機遭遇瓶頸不無關系。近年來,傳統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應運而生。

      “量子計算機是芯片尺寸突破經典物理極限的必然產物,是后摩爾時代的標志性技術。”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形態。

      傳統計算機用0和1儲存與處理數據,俗稱經典比特。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”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同求解。而量子的疊加性質,與二進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,傳統的計算機就像‘算盤’。”郭光燦表示。

      據本源量子計算公司副總裁張輝介紹,在需要大規模計算的領域,量子計算機可一展拳腳,如助力先進材料制造和新能源開發等。在藥物研發方面,量子計算機通過精準模擬各種分子、原子的自然演進,可幫助科研人員快速找到對付病毒的藥物;在公共交通領域,量子計算能夠迅速對復雜的交通狀況進行分析預判,從而調度綜合交通系統,最大限度避免道路擁堵。

      量子計算應用走出實驗室,得益于它的工程化推進。當前,不少國家都把量子計算當作未來技術制高點,國內外知名的企業紛紛涉足量子計算,全球量子計算創業公司超過百家。郭光燦表示,量子計算發展比想象的更快,許多停留在紙面上的想法逐漸變成了現實。

      “如果以經典計算機發展進程來衡量,現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。它們分別是實現量子計算的物理系統、確保計算可靠性的處理系統和提高運算速度的關鍵。

      “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的載體都可用作量子比特。經過長期探索,科學家發現,超導、離子阱、光子、超冷原子、半導體量子點等,都存在量子效應,意味著能夠用于開發量子計算機。而這些不同的體系,造就了量子計算機不同的技術實現路線。

      量子計算機走向實用,要控制多少個量子比特?鄭亞銳說,一般認為要控制100萬個量子比特。但眼下,工業界能控制的量子比特還不超過100個。

      在宏觀環境下,如何保持微觀環境下的量子特性,是量子計算機落地應用的另一個重要障礙。實現這一點,要求較長的相干時間(量子系統衰退的時間常數),以及非常高的保真度。“提高比特數量的同時,又不降低保真度,是學術界聚焦的難題。”鄭亞銳說。

      “每一個體系都有優缺點,到底哪條路線能實現量子計算,大家心里也不清楚。”張輝說。具體地說,半導體量子點路線操控性方便,但相干時間很短;光學或者離子阱路線相干時間長,但可擴展性差。清華大學量子信息中心副教授金奇奐表示,近年來,學界對離子阱路線的基礎研究很多,但工業界關注不夠,工程、工藝上細致的工作剛剛起步。

      目前,多數開發者選擇的是超導和半導體兩條路線,兩者的工程化、工藝化也快速推進。開發者希望,借助先進的半導體、集成電路工藝,在推進量子計算機研制的同時,為未來量子計算機與經典計算機的潛在融合做準備。

      從電子管到晶體管,再到集成電路,隨著材料和工藝的迭代,經典計算機性能不斷提升。“如果以經典計算機發展進程來衡量,現在量子計算機處于早期的‘電子管時代’。”張輝說,現在量子計算機還很“笨”,比智能手機、手提電腦的速度要慢得多。量子計算機也要經歷一個發展過程。

      “量子計算技術是顛覆性技術,關系到未來發展的基礎計算能力”

      張輝認為,真正衡量量子計算能力,是用它來解決問題時,與經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用場景。”金奇奐認為,真正意義的量子計算機,不能單單證明它能比經典計算機做得好,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。

      科學家預測,未來10至15年,科學界有可能操縱100量子比特,從而真正實現“量子優勢”。郭光燦說,經典信息技術時代,我國是跟蹤者、模仿者,量子計算是我國成為未來信息技術引領者的機遇。“量子計算技術是顛覆性技術,關系到未來發展的基礎計算能力。誰先把量子計算機搞出來,誰就占據了量子信息時代的制高點。”

      開發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去,看看里面什么樣。

      5年前,中國科學院與阿里巴巴集團建立聯合實驗室,共同在量子信息科學領域開展前瞻性研究,這是國內較早在量子計算上的布局。近些年,在量子計算領域,我國科研人員發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、算法等同樣應高度重視。“哪怕幾根導線之間微弱的干擾,都會影響整體計算性能。”

      量子計算機與經典計算機不是對抗關系,不會全面替代經典計算機。“玩電腦游戲,我們永遠用不著量子計算機。”張輝說,經典計算機發展至今,已經能處理日常中絕大部分任務,未來兩者應該會相互融合。

      郭光燦認為,掌握量子計算機的關鍵核心技術急不得,需要下真功夫。只有經過深入細致鉆研,經過技術沉淀,才有可能實現突破。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展機遇。(記者 喻思南)

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