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

新華社記者楊駿 黃堃

5量子比特、10量子比特、50量子比特,一場你追我趕、爭相領(lǐng)先的激烈競逐近年來正在量子計(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”、酷炫前景各國豈能袖手旁觀?

去年底,美國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)域的競爭進(jìn)入關(guān)鍵階段。

聰者聽于無聲,明者見于未形

當(dāng)魔幻般的理論在現(xiàn)實(shí)中推動進(jìn)步,各國的科研實(shí)力體現(xiàn)無疑。

在IBM公司宣布成果的半年前,中國科學(xué)家已發(fā)布世界首臺超越早期傳統(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。

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

從1970年到2005年,正如摩爾定律預(yù)測的一樣,每18個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年后這種趨勢就開始放緩,極其微小的集成電路面臨散熱等問題考驗(yàn)。

如果按這個趨勢繼續(xù)發(fā)展,當(dāng)集成電路的尺寸接近原子級別的時候,電子的運(yùn)動也不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律,這個時候量子力學(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個左右量子比特,能力即超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)了相對傳統(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)競相追逐的目標(biāo)。

近來,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量子比特的測試芯片。但這些企業(yè)沒有發(fā)布詳細(xì)性能報(bào)告,用詞離不了“原型”和“測試”,更沒有宣稱已經(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)在是一個世界范圍內(nèi)的競賽?！泵绹每怂_斯大學(xué)奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿倫森說。他認(rèn)為,未來一年左右將可能有人贏得“量子霸權(quán)”競賽。

長風(fēng)破浪會有時,直掛云帆濟(jì)滄海

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

業(yè)內(nèi)專家指出,量子計(jì)算需要克服環(huán)境噪聲、比特錯誤和實(shí)現(xiàn)可容錯的普適量子糾錯等一系列難題,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,一個量子比特可以同時處于多個狀態(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)對某些問題的求解速度已達(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,各國政府紛紛加大投入。歐盟在2016年宣布投入10億歐元支持量子計(jì)算研究,美國僅政府的投資即達(dá)每年3.5億美元。中國也在大力投入,目前正在籌建量子信息國家實(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)算能力將迎來飛躍,接下來就會是在多個領(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;IBM也在去年宣布計(jì)劃建立業(yè)界首個商用通用量子計(jì)算平臺IBM Q,還與摩根大通等公司合作計(jì)劃在2021年前推出首個在金融領(lǐng)域的量子計(jì)算應(yīng)用。

更不用說在軍事、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)的重要性可與上個世紀(jì)的曼哈頓計(jì)劃相比。”著名量子科學(xué)家潘建偉院士說。也就是說,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)路線上同時發(fā)展,希望在未來10年,實(shí)現(xiàn)上百量子比特的糾纏。

潘建偉曾用“筍”來比喻中國量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展。因?yàn)楣S尖剛長出來時進(jìn)展較為緩慢,一旦長起來便越來越快。他說中國的量子計(jì)算就如“春筍”,“我們的爆發(fā)式增長也已到了‘相變點(diǎn)’”。