眨眼間 可完成上百年才能處理的問題
日期：2024-05-16 來源：深圳特區(qū)報(bào)
■ 深圳特區(qū)報(bào)記者 聞坤
秒級(jí)破解加密系統(tǒng)、精確預(yù)測(cè)候選藥物、顯著提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和精度、模擬和分析復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)加速新材料的發(fā)現(xiàn)、瞬間完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上百年才能處理的問題……
隨著科技的不斷進(jìn)步，量子計(jì)算這一曾經(jīng)屬于科幻領(lǐng)域的前沿技術(shù)，如今已經(jīng)逐漸走進(jìn)我們的視野。它以其獨(dú)特的量子疊加和糾纏性質(zhì)，預(yù)示著一場(chǎng)關(guān)于計(jì)算能力的革命。量子計(jì)算技術(shù)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的極限，為解決復(fù)雜問題提供了全新的可能性。為揭開量子計(jì)算的神秘面紗，記者采訪了權(quán)威專家，探索其基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及它對(duì)未來世界可能產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。
1
量子計(jì)算帶來顛覆性算力
中國(guó)科學(xué)院院士、深圳國(guó)際量子研究院院長(zhǎng)、南方科技大學(xué)物理系講席教授俞大鵬表示，量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。它利用量子比特（qubit）作為基本運(yùn)算單元，通過量子疊加和糾纏的性質(zhì)，能同時(shí)處理多個(gè)狀態(tài)，從而突破經(jīng)典計(jì)算的限制，顯著提高計(jì)算速度并具備更強(qiáng)大的計(jì)算能力。
量子計(jì)算是基于量子力學(xué)原理，尤其是量子疊加和糾纏現(xiàn)象所研發(fā)的模擬和計(jì)算技術(shù)。在量子計(jì)算中，數(shù)據(jù)以量子比特的形式存儲(chǔ)和運(yùn)算，而量子比特可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)，這是經(jīng)典計(jì)算中的比特所無法做到的。這種疊加態(tài)使得量子計(jì)算機(jī)能夠在同一時(shí)間內(nèi)處理更多的信息，從而實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)算。
俞大鵬用“走迷宮”為例來解釋量子計(jì)算機(jī)的能力。他說，受限于經(jīng)典的計(jì)算方法，100個(gè)經(jīng)典比特的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)每次只能選擇100條路去嘗試，或者以100倍的速度嘗試一條路，如果失敗了，就只能從頭開始走；但如果是100個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)走迷宮，相當(dāng)于有2的100次方個(gè)人一起嘗試不同的路，瞬間就把所有可能都嘗試一遍，找到那條正確的路。
量子計(jì)算的由來可以追溯到上世紀(jì)80年代初，由美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的P. Benioff首次提出，他提出二能階的量子系統(tǒng)可以用來仿真數(shù)字計(jì)算。隨后，費(fèi)曼和牛津大學(xué)的D. Deutsch等人也對(duì)量子計(jì)算的概念進(jìn)行了深入研究和拓展，提出了量子圖靈機(jī)的概念，使得量子計(jì)算具備了數(shù)學(xué)的基本型式。
在量子計(jì)算的發(fā)展過程中，理論突破和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都起到了關(guān)鍵的作用。20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)科學(xué)家彼得·史蒂文斯提出了量子計(jì)算機(jī)的通用設(shè)計(jì)原則，并發(fā)展了量子算法的理論框架。同時(shí)，一系列重要的量子算法，如Shor算法和Grover算法，也被提出并顯示出量子計(jì)算的巨大潛力。在實(shí)驗(yàn)方面，研究者們進(jìn)行一系列成功的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，逐步推動(dòng)了量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。
近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，量子計(jì)算領(lǐng)域取得了重大突破，出現(xiàn)了更穩(wěn)定和可擴(kuò)展的量子糾纏和量子門操作技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，量子計(jì)算也逐漸進(jìn)入商業(yè)化階段，有望在密碼破譯、材料設(shè)計(jì)以及人工智能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
2
突破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)限制
量子計(jì)算機(jī)長(zhǎng)什么樣？美國(guó)IBM公司曾展示其研制的量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：數(shù)層金色圓盤從上而下疊成倒圓錐結(jié)構(gòu)，夾雜繁復(fù)的銀色管道，猶如一只蒸汽朋克風(fēng)的吊燈。這只龐大的“吊燈”是量子計(jì)算機(jī)的核心硬件，還要加上配套的供能、冷卻和控制設(shè)備。
量子計(jì)算機(jī)是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就被稱為量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)具有運(yùn)行速度較快、處置信息能力較強(qiáng)、應(yīng)用范圍較廣等特點(diǎn)。
俞大鵬介紹，量子計(jì)算機(jī)主要由四個(gè)基本組成部分構(gòu)成：量子比特、量子門、量子寄存器和量子算法。其中，量子比特是量子計(jì)算機(jī)的最基本單位，類似于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制位，但不同的是，量子比特可以處于疊加態(tài)，即同時(shí)是0和1的狀態(tài)，這賦予了量子計(jì)算機(jī)更高的信息儲(chǔ)存和處理能力。量子門用于對(duì)量子比特進(jìn)行操作，可以同時(shí)影響多個(gè)量子比特，實(shí)現(xiàn)量子位的運(yùn)算。量子寄存器用于存放多個(gè)量子比特的組合單元，可以同時(shí)存放多個(gè)量子比特的疊加態(tài)。量子算法則是在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的算法。
“量子計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)之間存在明顯的區(qū)別。”俞大鵬說，首先，它們的計(jì)算原理不同。量子計(jì)算機(jī)利用量子比特的疊加態(tài)和糾纏態(tài)特性，使其具有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大的計(jì)算能力。
其次，計(jì)算速度上，量子計(jì)算機(jī)在某些問題上具有更快的計(jì)算速度，例如現(xiàn)在人類使用的最高端的密碼系統(tǒng)，比如銀行、保險(xiǎn)、政府機(jī)構(gòu)等，都是用極大質(zhì)數(shù)來加密——利用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)求解極大質(zhì)數(shù)的因數(shù)非常困難，需要幾十、甚至上百年時(shí)間，但是用量子計(jì)算機(jī)，破解這樣的密碼只需一眨眼的工夫。此外，由于量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算原理和速度特點(diǎn)，它更適合解決某些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法或難以解決的問題，如化學(xué)、物理、材料科學(xué)、密碼學(xué)、優(yōu)化等領(lǐng)域的計(jì)算問題。
俞大鵬特別提到量子糾錯(cuò)，它是量子計(jì)算中的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于量子態(tài)的脆弱性，環(huán)境噪聲和其他錯(cuò)誤源可能干擾量子信息的準(zhǔn)確性，因此需要進(jìn)行量子糾錯(cuò)以保護(hù)量子信息。量子糾錯(cuò)的基本思想是利用多個(gè)量子比特之間的糾纏關(guān)系，通過測(cè)量和編碼來檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。量子糾錯(cuò)碼是實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的關(guān)鍵工具，旨在確保在測(cè)量和糾正錯(cuò)誤時(shí)不會(huì)破壞編碼比特中的糾纏關(guān)系，并最大限度地減少錯(cuò)誤糾正所需的時(shí)間和資源。
3
量子計(jì)算擁有廣泛應(yīng)用前景
“量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括但不限于密碼學(xué)與安全、材料科學(xué)與設(shè)計(jì)、優(yōu)化問題、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等。”俞大鵬說。
在密碼學(xué)領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)可以破解當(dāng)前常用的加密算法，但同時(shí)也能夠創(chuàng)造出更為安全的量子密碼體系，確保通信和數(shù)據(jù)的機(jī)密性。比如，量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)等技術(shù)的出現(xiàn)，極大地增強(qiáng)了信息的保密性。
在材料科學(xué)領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)可以模擬和優(yōu)化分子和材料的特性，有助于加速新材料的開發(fā)和設(shè)計(jì)。例如，通過模擬材料的電子結(jié)構(gòu)，可以推動(dòng)能源存儲(chǔ)、電池技術(shù)、催化劑等領(lǐng)域的創(chuàng)新。
在優(yōu)化問題方面，量子計(jì)算機(jī)可以解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法高效解決的最優(yōu)化問題，如旅行商問題、機(jī)器學(xué)習(xí)中的優(yōu)化問題等。這種能力使得量子計(jì)算機(jī)在物流、交通、金融等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
此外，量子計(jì)算機(jī)還在圖像處理和模式識(shí)別等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，量子計(jì)算機(jī)的高并行計(jì)算能力可以加速圖像處理算法的執(zhí)行速度，提高圖像處理的效率。同時(shí)，它也可以用于人臉識(shí)別、聲紋識(shí)別等模式識(shí)別任務(wù)。
“隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，量子計(jì)算有望為我們的科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)帶來深刻的變革和巨大的價(jià)值。”俞大鵬認(rèn)為，在科學(xué)方面，量子計(jì)算機(jī)可以快速地解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法處理的問題，包括復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)、物料結(jié)構(gòu)分析、生物學(xué)研究和天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域，這將推動(dòng)科學(xué)研究的進(jìn)程，加速科學(xué)發(fā)展。
在技術(shù)方面，隨著量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，它將為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域帶來新的技術(shù)革命，推動(dòng)人工智能、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人等新興技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
在經(jīng)濟(jì)方面，量子計(jì)算可能催生新的商業(yè)模式和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，如量子云計(jì)算服務(wù)、量子加密通信等，從而帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和就業(yè)創(chuàng)造。
在社會(huì)方面，量子計(jì)算的發(fā)展將對(duì)人們的生活方式和社會(huì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。例如，量子加密通信將提升網(wǎng)絡(luò)安全和個(gè)人隱私保護(hù)水平；量子模擬和計(jì)算將有助于解決環(huán)境問題和資源優(yōu)化等全球性挑戰(zhàn)。
4
中國(guó)處于國(guó)際第一梯隊(duì)
國(guó)內(nèi)外在量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)方面均取得了顯著的進(jìn)展。全球范圍內(nèi)，多個(gè)國(guó)家和組織都在積極布局量子計(jì)算領(lǐng)域。例如，美國(guó)通過《國(guó)家量子計(jì)劃法案》將量子計(jì)算提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，歐盟也啟動(dòng)了“量子旗艦”計(jì)劃以推動(dòng)量子技術(shù)的發(fā)展。此外，加拿大、英國(guó)、日本、德國(guó)、印度、澳大利亞、丹麥和韓國(guó)等國(guó)家也都在加速布局量子計(jì)算，發(fā)布了本國(guó)的量子戰(zhàn)略，大多囊括政府支持、軟硬件研發(fā)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建等領(lǐng)域。
中國(guó)和美國(guó)在量子計(jì)算發(fā)展上均處于全球領(lǐng)先位置，但各自的優(yōu)勢(shì)和差距也存在。
“中國(guó)優(yōu)勢(shì)在于政府對(duì)量子計(jì)算的重視和投入。”俞大鵬說，中國(guó)在量子信息領(lǐng)域的公共投資處于全球領(lǐng)先地位，例如投資超千億人民幣建設(shè)了世界上最大的量子研究設(shè)施——量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的研究產(chǎn)出頗高，處于世界領(lǐng)先地位。此外，中國(guó)在超導(dǎo)Transmon qubit領(lǐng)域的最新研究成果也比肩美國(guó)。同時(shí)，中國(guó)在量子計(jì)算的硬件研發(fā)方面例如，“九章”和“祖沖之二號(hào)”等量子計(jì)算原型機(jī)的成功研制，展現(xiàn)了我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力。
與中國(guó)截然不同的是，美國(guó)的優(yōu)勢(shì)在于私營(yíng)企業(yè)的主導(dǎo)地位。美國(guó)的量子技術(shù)部署主要由私營(yíng)企業(yè)主導(dǎo)，這些企業(yè)擁有大量的研發(fā)資金和人才資源，推動(dòng)了量子計(jì)算的快速發(fā)展。
美國(guó)在量子計(jì)算硬件和軟件方面有深厚的積累。例如，谷歌、IBM、微軟等公司都在開發(fā)自己的量子計(jì)算硬件，并不斷取得突破。同時(shí)，這些公司還在各自的云平臺(tái)上推出了量子計(jì)算服務(wù)。
在硬件方面，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)涉及到量子比特的實(shí)現(xiàn)和控制、量子門的構(gòu)建以及量子寄存器的設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。目前，超導(dǎo)量子計(jì)算、離子阱量子計(jì)算、量子點(diǎn)量子計(jì)算等是主流的量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)方式。國(guó)內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)都在努力提高量子比特的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，以及降低量子門操作的錯(cuò)誤率。
在軟件方面，量子算法和量子軟件的開發(fā)也是量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的重要組成部分。例如，谷歌已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明可以通過增加量子比特的數(shù)量來降低計(jì)算錯(cuò)誤率，這為其量子計(jì)算路線圖的第二個(gè)關(guān)鍵里程碑提供了重要支撐。
俞大鵬表示，盡管量子計(jì)算領(lǐng)域取得了許多進(jìn)展，但量子計(jì)算機(jī)目前仍處于發(fā)展的初級(jí)階段。盡管已經(jīng)有一些商用化的量子計(jì)算原型機(jī)問世，但它們大多仍處于NISQ（含噪聲中等規(guī)模量子計(jì)算）階段，即雖然具有一定的量子優(yōu)越性，但尚未達(dá)到通用量子計(jì)算的程度。因此，未來還需要在量子比特的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、量子門操作的精確性等方面進(jìn)行深入研究，以實(shí)現(xiàn)真正的通用量子計(jì)算機(jī)。