說(shuō)起顛覆性技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)都是當(dāng)下科技界的閃亮名星。
30多年前，化學(xué)學(xué)家提出了借助量子建立估算系統(tǒng)的構(gòu)想，隨后科技界就沒(méi)有停止過(guò)探求。量子計(jì)算機(jī)到底有何本事，現(xiàn)在走到了哪一步？記者專(zhuān)訪(fǎng)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)如同‘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：日本霍尼韋爾公司表示研制出64量子容積的量子計(jì)算機(jī)，性能是上一代的兩倍；我國(guó)本源量子估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)覺(jué)一種控制、讀取量子比特的新思路，為擴(kuò)充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)裝置處理和估算的是量子信息，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)飽含期盼，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)遭到困局不無(wú)關(guān)系。近些年來(lái)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)性能下降越來(lái)越困難，探求全新化學(xué)原理的高性能估算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
“量子計(jì)算機(jī)是芯片規(guī)格突破精典化學(xué)極限的必然產(chǎn)物，是后摩爾時(shí)代的標(biāo)志性技術(shù)。”中科院教授、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室處長(zhǎng)郭光燦說(shuō)，在微觀(guān)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(guān)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存儲(chǔ)與處理數(shù)據(jù)，也稱(chēng)精典比特。量子計(jì)算機(jī)的神奇之處在于，它的基本估算單元——量子比特可以同時(shí)是0和1，即容許“疊加態(tài)”共存，因而擁有更強(qiáng)悍的并行能力。舉個(gè)反例，即便在800萬(wàn)本書(shū)里找一個(gè)詞組，精典計(jì)算機(jī)的方式是一本一本地搜索，提升速率要用多個(gè)處理器來(lái)協(xié)同求解。而量子的疊加性質(zhì)，與二補(bǔ)碼算法的運(yùn)行邏輯不同，致使量子計(jì)算機(jī)可以分身為800萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)找尋。“在量子計(jì)算機(jī)面前，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)如同‘算盤(pán)’。”郭光燦表示。
據(jù)本源量子估算公司總工裁張輝介紹，在須要大規(guī)模估算的領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)可一展拳腳，如推動(dòng)先進(jìn)材料制造和新能源開(kāi)發(fā)等。在抗生素研制方面，量子計(jì)算機(jī)通過(guò)精準(zhǔn)模擬各類(lèi)分子、原子的自然演變，可幫助科研人員快速找到對(duì)付病毒的抗生素；在公共交通領(lǐng)域，量子估算就能迅速對(duì)復(fù)雜的交通狀況進(jìn)行剖析預(yù)判，因而調(diào)度綜合交通系統(tǒng)，最大限度防止公路堵車(chē)。
量子估算應(yīng)用走出實(shí)驗(yàn)室，得益于它的工程化加快。當(dāng)前，不少?lài)?guó)家都把量子估算當(dāng)成未來(lái)技術(shù)制高點(diǎn)，國(guó)外外著名的企業(yè)紛紛投身量子估算，全球量子估算創(chuàng)業(yè)公司超過(guò)百家。郭光燦表示，量子估算發(fā)展比想像的更快，許多逗留在紙面上的看法漸漸弄成了現(xiàn)實(shí)。
“如果以精典計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程來(lái)評(píng)判，如今量子計(jì)算機(jī)處于初期的‘電子管時(shí)代’”
量子計(jì)算機(jī)即使前景寬廣，但落地應(yīng)用仍是長(zhǎng)路漫漫。郭光燦強(qiáng)調(diào)，作出量子計(jì)算機(jī)須要滿(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)量子估算的化學(xué)系統(tǒng)、確保估算可靠性的處理系統(tǒng)和提升運(yùn)算速率的關(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)室中級(jí)研究員鄭亞銳解釋說(shuō)。哪些是量子比特？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)常年探求，科學(xué)家發(fā)覺(jué)，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)，意味著才能用于開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)。而這種不同的體系，締造了量子計(jì)算機(jī)不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線(xiàn)。
量子計(jì)算機(jī)邁向?qū)嵱茫刂贫嗌賯€(gè)量子比特？鄭亞銳說(shuō)，通常覺(jué)得要控制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(guān)環(huán)境下，怎樣保持微觀(guān)環(huán)境下的量子特點(diǎn)，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)），以及特別高的保真度。“提高比特?cái)?shù)目的同時(shí)，又不增加保真度，是學(xué)術(shù)界聚焦的困局。”鄭亞銳說(shuō)。
“每一個(gè)體系都有異同點(diǎn)，究竟哪條路線(xiàn)能實(shí)現(xiàn)量子估算，你們心中也不清楚。”張輝說(shuō)。具體地說(shuō)，半導(dǎo)體量子點(diǎn)路線(xiàn)操控性便捷，但相干時(shí)間很短；光學(xué)或則離子阱路線(xiàn)相干時(shí)間長(zhǎng)，但可擴(kuò)充性差。復(fù)旦學(xué)院量子信息中心副院長(zhǎng)金奇奐表示，近些年來(lái)，學(xué)界對(duì)離子阱路線(xiàn)的基礎(chǔ)研究好多，但工業(yè)界關(guān)注不夠，工程、工藝上細(xì)致的工作剛才起步。
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(xiàn)，二者的工程化、工藝化也快速深化。開(kāi)發(fā)者希望，利用先進(jìn)的半導(dǎo)體、集成電路工藝，在推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的同時(shí)，為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與精典計(jì)算機(jī)的潛在融合做打算。
從電子管到晶體管，再到集成電路，隨著材料和工藝的迭代，精典計(jì)算機(jī)性能不斷提高。“如果以精典計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程來(lái)評(píng)判，如今量子計(jì)算機(jī)處于初期的‘電子管時(shí)代’。”張輝說(shuō)，如今量子計(jì)算機(jī)還很“笨”，比智能手機(jī)、手提筆記本的速率要慢得多。量子計(jì)算機(jī)也要經(jīng)歷一個(gè)發(fā)展過(guò)程。
“量子估算技術(shù)是顛覆性技術(shù)，關(guān)系到未來(lái)發(fā)展的基礎(chǔ)估算能力”
張輝覺(jué)得，真正衡量量子估算能力，是用它來(lái)解決問(wèn)題時(shí)量子物理學(xué)理論問(wèn)題，與精典估算相比誰(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。”金奇奐覺(jué)得，真正意義的量子計(jì)算機(jī)，不能單單證明它能比精典計(jì)算機(jī)做得好，而是要作出更有價(jià)值的工作。假如只能處理某一個(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”，曉得怎樣借助木頭做燈具，才是真正有用的量子估算機(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，因而真正實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”。郭光燦說(shuō)，精典信息技術(shù)時(shí)代，我國(guó)是跟蹤者、模仿者，量子估算是我國(guó)成為未來(lái)信息技術(shù)推動(dòng)者的機(jī)遇。“量子估算技術(shù)是顛覆性技術(shù)，關(guān)系到未來(lái)發(fā)展的基礎(chǔ)估算能力。誰(shuí)先把量子計(jì)算機(jī)搞下來(lái)，誰(shuí)就搶占了量子信息時(shí)代的制高點(diǎn)。”
開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)門(mén)檻較高。創(chuàng)立2年來(lái)，本源量子估算公司僅在硬件上就投入數(shù)萬(wàn)元。但科研人員表示，量子估算如同一個(gè)洞穴，不曉得上面有沒(méi)有“寶藏”，但一定要有勇氣沖進(jìn)去，瞧瞧上面哪些樣。
5年前，中國(guó)科大學(xué)與阿里巴巴集團(tuán)構(gòu)建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，共同在量子信息科學(xué)領(lǐng)域舉辦前瞻性研究，這是國(guó)外較早在量子估算上的布局。近年，在量子估算領(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”的差別主要不在科研上，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)高度注重。“哪怕幾根導(dǎo)線(xiàn)之間微弱的干擾，就會(huì)影響整體估算性能。”
量子計(jì)算機(jī)與精典計(jì)算機(jī)不是對(duì)抗關(guān)系，不會(huì)全面取代精典計(jì)算機(jī)。“玩筆記本游戲，我們永遠(yuǎn)用不著量子計(jì)算機(jī)。”張輝說(shuō)，精典計(jì)算機(jī)發(fā)展至今，早已能處理日常中絕大部份任務(wù)量子物理學(xué)理論問(wèn)題，未來(lái)二者應(yīng)當(dāng)會(huì)互相融合。
郭光燦覺(jué)得，把握量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)急不得，須要下真工夫。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。尤其是要注重解決工程上的問(wèn)題，才有可能捉住量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展機(jī)遇。