量子科技解讀系列之二： 量子計(jì)算：打破經(jīng)典計(jì)算機(jī)的性能天花板

薛山

量子隧穿：摩爾定律逐漸失效的關(guān)鍵因素

上期我們?yōu)榇蠹以敿?xì)解讀了量子科技的第一大應(yīng)用：量子通信。而這期我們將會更深入一些與大家討論關(guān)于量子計(jì)算的話題，那么首先可能大家會疑惑，究竟什么是量子計(jì)算？它與經(jīng)典計(jì)算有何差別呢？

首先，我們知道計(jì)算機(jī)芯片是由電路的邏輯門組成，而每個(gè)邏輯門則是由晶體管組成，而在最新的制程工藝下，一塊芯片里能塞入數(shù)億的晶體管，晶體管是能讓計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的最基本單元，從功能上來說它像個(gè)開關(guān)，可阻擋或允許電流通過并形成高低電信號，組成了數(shù)據(jù)，單位為比特（bit），1個(gè)比特可分為0和1兩種狀態(tài)，比特位數(shù)越多，能表示的數(shù)也就越大。

而如今的晶體管已經(jīng)可以做到幾納米的大小，僅有數(shù)個(gè)原子的大小，比如5nm就相當(dāng)于40個(gè)硅原子的尺寸，而且按照摩爾定律，這個(gè)尺寸應(yīng)該還會持續(xù)縮小，但恰恰因?yàn)樗某叽缣?，電子有時(shí)會無視它的阻礙，直接通過已關(guān)閉的三極管開關(guān)，這種現(xiàn)象就被稱為量子隧穿。當(dāng)量子隧穿規(guī)模達(dá)到數(shù)億級別時(shí)，顯然就會對應(yīng)用造成明顯影響，晶體管尺寸就摸到了“天花板”。

也就是說，經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)達(dá)到了所謂的“量子極限”，電子的行為已經(jīng)不能單純地再用“電流”的概念來描述，幾十年積累的集成電路設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到極限，而現(xiàn)在能走的路無非兩條，其一是不斷改進(jìn)工藝或更換材料，以盡量逼近這個(gè)極限，其二就是擁抱量子特性來進(jìn)行計(jì)算，包括電子、超導(dǎo)線圈、冷原子甚至光子都有潛力成為量子計(jì)算的載體，那么量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算的差別在哪呢？

量子疊加與糾纏，讓并行計(jì)算性能成倍增長

正如前文所述，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，我們得到的結(jié)果可確定的，不是0就是1，也就是每一個(gè)經(jīng)典比特只能記錄兩個(gè)數(shù)值。但量子計(jì)算機(jī)并不相同，每一個(gè)量子比特（Qubit）可以處于疊加態(tài)，數(shù)據(jù)量呈幾何形態(tài)增長，以一個(gè)4bit計(jì)算模型為例，它總計(jì)有16種組合也就是16個(gè)不同的數(shù)據(jù)，在某一個(gè)時(shí)刻經(jīng)典計(jì)算機(jī)只可能處于其中1種狀態(tài)，也就是只能記錄1個(gè)數(shù)據(jù)，而量子比特因?yàn)樘幱诏B加態(tài)，所以可以同時(shí)處于16種狀態(tài)中，當(dāng)探測器使用不同的方式去確定就能得到不同的數(shù)據(jù)，換言之就是對于一個(gè)4bit計(jì)算模型，1臺量子計(jì)算機(jī)就等于16臺經(jīng)典計(jì)算機(jī)并行工作。所以量子比特越大，量子計(jì)算機(jī)的并行優(yōu)勢就越大。

除此之外，在量子通信中起到關(guān)鍵作用的量子糾纏在量子計(jì)算里也能起到很重要的作用，因?yàn)榱孔蛹m纏的特性是一個(gè)量子比特的變化引發(fā)與之糾纏的另一個(gè)量子同步變化，也就是計(jì)算1個(gè)量子比特就能得到另一個(gè)量子比特的數(shù)據(jù)，這同樣又加強(qiáng)了并行計(jì)算的效率。

從應(yīng)用來說，量子計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的并行處理性能讓它在特定領(lǐng)域可獲得驚人的效率優(yōu)勢，加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家John Preskill在2011年的一次演講中提出了“量子霸權(quán)”的概念，而實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的標(biāo)準(zhǔn)就是比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更好地解決一個(gè)特定計(jì)算問題。在數(shù)據(jù)庫海量數(shù)據(jù)中進(jìn)行檢索時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需遍歷其中所有可能的匹配才能找到最終結(jié)果，而利用量子計(jì)算機(jī)中的匹配算法去尋找結(jié)果可節(jié)省數(shù)倍時(shí)間;在信息安全領(lǐng)域，經(jīng)典計(jì)算時(shí)代的密鑰本身是一個(gè)字符串，而字符串是可以通過窮舉法來進(jìn)行暴力破解的，只是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力限制，使得破解所需的時(shí)間非常漫長，而量子計(jì)算機(jī)的落地會讓暴力破解的難度驟減，所以對安全領(lǐng)域也將會是一次重大的沖擊;在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，注入蛋白質(zhì)模型模擬對傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說是很大的挑戰(zhàn)，往往需要接入超級計(jì)算機(jī)才能解決，而量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)也將大大降低分子、原子甚至量子模擬的技術(shù)門檻，對醫(yī)學(xué)技術(shù)的推動力不言而喻。

并未落后太多，正是快馬加鞭追趕的好時(shí)機(jī)

從歷史角度來看，量子計(jì)算機(jī)仍處于“嬰兒期”，2016年IBM率先研發(fā)出世界上第一個(gè)基于5位超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的量子云平臺IBM Q Experience，目前，IBM已經(jīng)有22臺公開的量子計(jì)算機(jī)，先后有100多家企業(yè)單位和科研機(jī)構(gòu)使用了其提供的量子計(jì)算云服務(wù)。2019年亞馬遜、微軟先后上線了量子計(jì)算云平臺Braket與Azure Quantum。2019年10月24日《自然》雜志刊發(fā)了谷歌公司的一篇論文，在該論文中谷歌表示其開發(fā)出一款54量子比特?cái)?shù)（其中53個(gè)量子比特可用）的超導(dǎo)量子芯片“Sycamore”，對一個(gè)53bit、20深度的電路采樣一百萬次只需200秒，而目前最強(qiáng)的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)Summit要得到類似的結(jié)果需要一萬年。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子物理與量子信息研究部教授朱曉波認(rèn)為，在一個(gè)計(jì)算復(fù)雜度被嚴(yán)格證明的問題上，谷歌發(fā)表的研究成果是人類首次證實(shí)量子計(jì)算機(jī)相較于經(jīng)典計(jì)算機(jī)有壓倒性優(yōu)勢，因此有著重要的里程碑式意義。但顯然，量子計(jì)算機(jī)的賽道剛剛打響信號槍，這也就為我國量子計(jì)算的追趕提供了時(shí)間上的契機(jī)。

9月12日，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的成果轉(zhuǎn)化企業(yè)、合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司研發(fā)的超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺“悟源”正式上線?！俺藱C(jī)箱，也就是制冷機(jī)，其他的我們都是能夠自主可控研發(fā)，或者找國內(nèi)的廠商來制造的?！北驹戳孔佑?jì)算公司副總裁張輝表示。雖然起步較晚，但此次我國企業(yè)自主研發(fā)的量子計(jì)算云平臺性能不容小覷，據(jù)本源量子的官方數(shù)據(jù)顯示，對比2017年IBM量子云平臺上公布的量子邏輯門保證度和量子讀取保證度等數(shù)據(jù)，本源量子公司此次推出的量子計(jì)算云平臺目前的水平能夠超過IBM在2017年建立的云平臺水平（5個(gè)量子比特）。

但不得不說的是，目前“悟源”平臺采用的是6個(gè)量子比特的“夸父”芯片，與目前IBM云平臺的50個(gè)量子比特系統(tǒng)還是有較大的差距，仍需時(shí)間來追趕。而外層制冷機(jī)最早在明年也能見到國產(chǎn)產(chǎn)品面世，也就是最早在明年就能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的全國產(chǎn)化。

編輯觀察

據(jù)波士頓咨詢發(fā)布的報(bào)告預(yù)測，在不考慮量子糾錯算法的進(jìn)展情況下，2035年全球量子計(jì)算應(yīng)用市場規(guī)模將達(dá)到近20億美元，2050年將暴漲到2600億美元。若量子計(jì)算技術(shù)迭代速度超出預(yù)期，2035年市場規(guī)模即可突破600億美元，2050年則有望飆升至2950億美元。所以，這是一個(gè)次世代級別的超大規(guī)模市場，無論從商業(yè)、社科、國家安全等諸多領(lǐng)域，都是“兵家必爭之地”，現(xiàn)在加碼力推國產(chǎn)量子科技產(chǎn)業(yè)可以說是最正確的時(shí)機(jī)，未來值得期待。