量子計(jì)算機(jī)

劉小桐

摘 要：我國(guó)量子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)又一突破，繼量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信后，量子計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，使超高速運(yùn)算得以實(shí)現(xiàn)，量子計(jì)算機(jī)不僅速度超快，與普通計(jì)算機(jī)相比，它還能解決復(fù)雜得多的問(wèn)題，提高了中國(guó)的綜合軟實(shí)力。

關(guān)鍵詞：量子；計(jì)算機(jī)；量子計(jì)算機(jī)

中圖分類號(hào)：O413 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0023-02

我國(guó)在量子科研方面一直保持著大膽創(chuàng)新潛心鉆研的態(tài)度，繼量子衛(wèi)星順利發(fā)送至外太空，實(shí)現(xiàn)了量子通信后，我國(guó)又在信息網(wǎng)絡(luò)方面實(shí)現(xiàn)了量子科技的大跨越，并一舉打破了世界紀(jì)錄， 成為世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)，這標(biāo)志著我國(guó)的量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域已邁入世界一流水平，該量子計(jì)算機(jī)由中科大、中國(guó)科學(xué)院、阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)、中科物理所等協(xié)同完成參與研發(fā)，是名副其實(shí)的“中國(guó)制造”。

量子計(jì)算機(jī)是在量子力學(xué)基本原理基礎(chǔ)下實(shí)現(xiàn)信息處理的革命性技術(shù)，這個(gè)想法最早由美國(guó)的物理學(xué)家費(fèi)曼于1982年提出，他發(fā)現(xiàn)分析量子物理世界所需的計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)所達(dá)到的程度，而用實(shí)驗(yàn)室中一個(gè)可控的量子系統(tǒng)來(lái)模擬和計(jì)算另外一個(gè)量子系統(tǒng)，會(huì)非常高效。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)類似，我們完成量子計(jì)算機(jī)所需的基本單位也是比特，不過(guò)是量子世界的比特。與0和1組成的比特不同，量子比特可處于0和1兩種狀態(tài)按照任意比例疊加。這進(jìn)一步說(shuō)明，量子比特其實(shí)是分布在一個(gè)單位球表面上的任意一點(diǎn)，可見(jiàn)量子比特包含的信息要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典比特，另外按照量子系統(tǒng)的可疊加性，多個(gè)量子比特也可以并行處理運(yùn)算。由于量子系統(tǒng)的特殊性與高效性，量子計(jì)算機(jī)對(duì)某些行業(yè)的復(fù)雜運(yùn)算具有提高效率和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，比如無(wú)序搜索和大數(shù)據(jù)因子分解等。

對(duì)于此項(xiàng)科研成果，中科院方面表示：目前只有一個(gè)單光子的量子模擬機(jī)，并且證明了通過(guò)量子計(jì)算的并行性加速求解解決線性方程組的可行性。另外，這個(gè)科研所用的模擬機(jī)，性能比人類第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（1946年誕生）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（1954年誕生）快10-100倍。另外，據(jù)官方報(bào)道此項(xiàng)成果的突破性表現(xiàn)在：（1）高效率多光子玻色采樣。（2）超導(dǎo)電路中實(shí)現(xiàn)10 比特糾纏和并行邏輯運(yùn)算。（3）使用超導(dǎo)量子處理器求解線性方程組。

量子計(jì)算機(jī)是中國(guó)科研在量子領(lǐng)域的又一進(jìn)階與突破，標(biāo)志著中國(guó)的科研水平正在逐步崛起，并保持了一定優(yōu)勢(shì)，部分科研成果或已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

中國(guó)科研發(fā)展無(wú)疑是勵(lì)志的最佳代言人，從建國(guó)后的一窮二白到有志者的主動(dòng)請(qǐng)纓，其中有摸黑探索，有外部打壓，有失敗的嘔心瀝血，路，即是這樣一步一步踏出來(lái)的。1964年10月，我國(guó)第一顆原子彈爆炸成功。1970年我國(guó)成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星——東方紅一號(hào)。1983年我國(guó)第一臺(tái)巨型計(jì)算機(jī)——銀河Ⅰ號(hào)誕生。2003年我國(guó)第一艘載人飛船——神舟五號(hào)，成功升空并返回。2007年，我國(guó)探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”發(fā)射成功。

除了科研領(lǐng)域的具體成果，在計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程方面，也經(jīng)歷了不斷推翻改進(jìn)的過(guò)程，華羅庚教授可謂我國(guó)計(jì)算技術(shù)的奠基人和最主要開(kāi)拓者之一，并著手建立了中國(guó)第一個(gè)電子計(jì)算機(jī)科研小組。1958-1964年第一代電子管計(jì)算機(jī)成功問(wèn)世，標(biāo)志著第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生。1965-1972年我國(guó)第二代晶體管計(jì)算機(jī)成功完成，提供更久的運(yùn)行時(shí)間和更高的效率。1973-80年代初，第三代基于中小規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)研制成功。1983年中科院推出我國(guó)第一臺(tái)大型向量計(jì)算機(jī)——757機(jī)，其計(jì)算速度達(dá)到每秒1000萬(wàn)次，這一紀(jì)錄同年被銀河-Ⅰ號(hào)億次巨型計(jì)算機(jī)打破。銀河-Ⅰ號(hào)巨型機(jī)是我國(guó)高速計(jì)算機(jī)研制的一個(gè)里程碑式成果。80年代中期至今，第四代基于超大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)研制已提上日程。1992年成功研制出銀河-Ⅱ號(hào)運(yùn)用并行巨型機(jī)，其峰值速度達(dá)到每秒4億次浮點(diǎn)運(yùn)算（相當(dāng)于每秒10億次基本運(yùn)算）。1997年成功推出銀河-Ⅲ號(hào)百億次并行巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用可擴(kuò)展分布共存存儲(chǔ)并行處理體系結(jié)構(gòu)。由130多個(gè)處理結(jié)點(diǎn)組成，峰值性能為每秒130億次浮點(diǎn)運(yùn)算。對(duì)于主宰計(jì)算機(jī)性能的量子，不得不說(shuō)，近百年來(lái)，正飛速發(fā)展壯大，引起了科學(xué)家的足夠重視，觸角逐漸蔓延至各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，標(biāo)志科學(xué)技術(shù)正向高精尖方向發(fā)展，并推動(dòng)社會(huì)歷史的進(jìn)一步蛻變。

2006年8月，中國(guó)長(zhǎng)征號(hào)系列火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空，這次它搭載的是“墨子號(hào)”量子實(shí)驗(yàn)科學(xué)衛(wèi)星，這是世界上第一顆量子衛(wèi)星，也是人類首次通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)地球和外太空之間的通信。將量子理論應(yīng)用于通信之中，擁有很好的前景性和實(shí)用性。信息收發(fā)者通過(guò)量子頻道設(shè)定密鑰，而基于測(cè)不準(zhǔn)原理，任何覬覦信息的竊聽(tīng)者都會(huì)破壞到數(shù)據(jù)使得收發(fā)雙方發(fā)現(xiàn)，這就保證了沒(méi)有任何人能夠在不被當(dāng)事人發(fā)現(xiàn)的情況下竊取信息，從而保持了信息的平衡安全性。這就是量子通信的基礎(chǔ)和巨大優(yōu)勢(shì)。這一性能利用量子頻道的超高安全性和信息容量，以及傳輸速度上的優(yōu)勢(shì)來(lái)接發(fā)信息，這正是量子計(jì)算在現(xiàn)實(shí)世界中最具實(shí)踐性與操作性的特點(diǎn)。

“量子”這一名詞最早由普朗克提出，根據(jù)諸多理論描述，量子理論與經(jīng)典物理理論有5個(gè)顯著不同的特性，即非決定性、量子干涉、測(cè)不準(zhǔn)、量子疊加和量子糾纏。

篩選諸多報(bào)道，我們可以概括出中科大量子計(jì)算機(jī)的最主要三項(xiàng)科研成果：（1）中科大做出了一臺(tái)專門(mén)計(jì)算boson sampling 的光量子計(jì)算機(jī)，計(jì)算了3、4、5光子的boson sampling問(wèn)題，其計(jì)算速度比早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)要快很多倍。（2）中科大和浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏。（3）中科大和浙大團(tuán)隊(duì)在4個(gè)超導(dǎo)量子比特上運(yùn)行了一個(gè)解線性方程組的量子算法。第一個(gè)科研成果意義很大，但實(shí)際應(yīng)用意義可能不大，因?yàn)橥ㄟ^(guò)光子實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的前景似乎不如超導(dǎo)系統(tǒng)或離子阱系統(tǒng)好。第二個(gè)和第三個(gè)成果意義很大，第二個(gè)成果應(yīng)該是已開(kāi)發(fā)的超導(dǎo)量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的最多的比特?cái)?shù)的糾纏。

量子理論對(duì)社會(huì)的意義，也體現(xiàn)在方方面面，具有很大獨(dú)創(chuàng)性，比如量子計(jì)算機(jī)可以一次分析關(guān)于天氣預(yù)報(bào)的所有數(shù)據(jù)，提供更好的模型效果，精確展示惡劣天氣在何時(shí)何地出現(xiàn)，從而達(dá)到預(yù)防極端天氣，拯救居民的目的。此外，量子計(jì)算機(jī)可以根據(jù)整個(gè)城市乃至整個(gè)地球上的所有人的出行計(jì)劃，計(jì)算出最優(yōu)解，規(guī)劃出行路線，告別交通堵塞。并且量子計(jì)算機(jī)可以描述出數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的分子組成，快速分解辨別藥物中的有效成分，從而降低藥物研發(fā)成本和周期。除此之外，量子計(jì)算機(jī)可以更廣泛地處理望遠(yuǎn)鏡中的數(shù)據(jù)信息，從而發(fā)現(xiàn)更多的行星，探索更廣袤的太空，快速識(shí)別存在的生命體，用以進(jìn)一步的探究。量子計(jì)算機(jī)的一系列成就不僅是量子科技領(lǐng)域的突破，更讓這一陌生名詞逐步進(jìn)入大眾視野，輔助相關(guān)領(lǐng)域的探究，使其普遍化、實(shí)用化、多元化。量子理論的實(shí)驗(yàn)成果也會(huì)帶動(dòng)其他物質(zhì)如光子、電子的探尋進(jìn)程，并提供基礎(chǔ)、先進(jìn)的保障，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)科技圈的革命。

即使量子計(jì)算機(jī)已研制成功，其普及性和實(shí)用性還很欠缺，因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)行條件要符合三點(diǎn)，即真空環(huán)境、絕對(duì)零度和磁場(chǎng)保護(hù)。除了對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)苛，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際推廣宣傳方面也遇到一些障礙。由于量子計(jì)算機(jī)計(jì)算方法與經(jīng)典計(jì)算機(jī)算法完全不同，因此編程方式也完全不同，并且會(huì)更加復(fù)雜。這意味著對(duì)程序員來(lái)說(shuō)，要掌握一套比現(xiàn)有算法更為復(fù)雜的編程方式。此外，量子計(jì)算機(jī)也存在很多技術(shù)問(wèn)題，比如量子的不穩(wěn)定性，決定了信息狀態(tài)的不穩(wěn)定性，這會(huì)影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性。

總體來(lái)看，這也是一種信心，將來(lái)量子計(jì)算的發(fā)展還需要整個(gè)社會(huì)進(jìn)行更大的投資，這意味著不僅是國(guó)家，也需要社會(huì)資本的參與，甚至是大公司的參與。這樣才能出現(xiàn)像CQC、Apple這樣走在前沿的創(chuàng)業(yè)公司以及像JQI這樣的量子計(jì)算研究中心，像Google、IBM、Microsoft里一樣的領(lǐng)先研究組，使中國(guó)不至于在信息大時(shí)代落后他國(guó)，并能保持住目前的優(yōu)勢(shì)，持續(xù)深遠(yuǎn)地發(fā)展下去。

量子計(jì)算機(jī)盡管存在諸多問(wèn)題，但我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小目標(biāo)，這是一個(gè)好的開(kāi)端，提高了中國(guó)在國(guó)際領(lǐng)域的綜合軟實(shí)力，擁有了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的資本。一個(gè)國(guó)家的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)與政治固然重要，但文化與科技作為民眾日益增長(zhǎng)的精神需求，正在綜合國(guó)力中占據(jù)越來(lái)越大的比重。文化與科技輸出成為現(xiàn)有國(guó)家正在實(shí)施的戰(zhàn)略手段。我國(guó)也需警覺(jué)這一點(diǎn)，提高重視程度，加大投資力度，同時(shí)提高教育質(zhì)量，培養(yǎng)新一代有志有能力的青少年，鼓勵(lì)科技創(chuàng)新與科技成果，創(chuàng)造良好的科研環(huán)境，提供更多的科研機(jī)會(huì)，比如創(chuàng)辦更多的研究所，從娃娃抓起，舉辦各年齡段的創(chuàng)新大賽、科技競(jìng)賽。提高民眾參與度，個(gè)人能力得到鍛煉，視野得到開(kāi)闊，增強(qiáng)信心與興趣，以投入到后續(xù)的挖掘探索工作中。另外，應(yīng)該有更多國(guó)際交流借鑒的機(jī)會(huì)，在溝通中實(shí)現(xiàn)雙贏，增強(qiáng)普及性，畢竟振興中華，與有榮焉。

關(guān)于量子科技的全面發(fā)展，需要官方與個(gè)人的協(xié)同作用。政府應(yīng)該出臺(tái)更優(yōu)質(zhì)的政策與資金支持鼓勵(lì)大眾，個(gè)人需要提高參與度，以自己的方式關(guān)注扶持此項(xiàng)目的發(fā)展，使其不破滅于搖籃。同時(shí)此項(xiàng)目也將回饋以社會(huì)更高效簡(jiǎn)單的生活方式，更有質(zhì)量的生活樂(lè)趣，更綠色環(huán)保的環(huán)境。文化科技具有反作用力，將會(huì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)、政治的鞏固與發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)祖國(guó)的偉大復(fù)興。

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