量子計算： 1秒完成傳統計算機100年的任務量

量子計算：第四次工業革命的引擎

經典計算機需要100年才能破譯的密碼，量子計算機用1秒鐘就能搞定。

也正是看到了這樣的“洪荒之力”，各大巨頭開始入局量子計算。2017年底，IBM稱已成功研制出50個量子比特的量子計算處理器樣機。據報道，谷歌正在研究49個量子比特的晶片，英特爾、微軟也加大了對量子計算的投入。

我國科學家也加快了研發步伐，中國科學技術大學潘建偉與陸朝陽課題組于2017年成功研制出世界首台超越早期傳統計算機的量子計算機。

“量子計算力”正緩緩襲來。

“量子計算将成為第四次工業革命的引擎。”近日，中國科學院實體研究所研究員、北京凝聚态國家實驗室常務副主任和首席科學家丁洪在接受科技日報記者采訪時表示，就像1947年誕生的三極管一樣，量子計算或成為下一代颠覆性技術。

“不明覺厲”的量子計算到底是什麼呢？

突破傳統計算瓶頸

從1970年到2005年，計算機的發展正如摩爾定律預測的一樣，每隔18個月，內建電路上可容納的元器件數目約增加一倍，計算機的計算性能也提升一倍。

“但2005年以後這種趨勢就開始放緩。”丁洪介紹，目前半導體已進入了納米尺度時代，摩爾定律逐漸失效。

計算機發展的瓶頸主要有兩個。首先，随着半導體體積不斷縮小，計算機可容納的元器件數量越來越多，産生的熱量也随之增多。其次，随着元器件體積變小，電子會穿過元器件，發生量子隧穿效應，這導緻了經典計算機的比特開始變得不穩定。

什麼是隧穿效應？丁洪打了一個比方。“就像穿牆術一樣。在宏觀世界，跳高運動員如遇到障礙，可以自己跳過去。但在量子世界，不需要這麼高超的技巧。遇到障礙，可以穿過去。隻不過，物質本身要足夠小，障礙要足夠薄。”他說。

量子計算機的出現，巧妙地解決了計算機發展的瓶頸問題。丁洪說，從原理來看，量子計算機是可逆計算機，不會丢失資訊。經典計算機則是不可逆計算機，不可逆計算過程中每個比特的操作都會有熱損耗。

“但量子計算機不會取代經典計算機。”丁洪說，兩者的應用對象不同，互為補充，它們的關系就像白熾燈和雷射一樣。白熾燈和雷射都能發光，具有相關性，但我們并不用雷射替代白熾燈去照明，量子計算機也是如此的。

颠覆常識的量子世界

量子實體看似高冷，卻早已走進我們的生活，像手機、計算機、LED等都用到了量子實體相關技術。“原子、光子、電子都是量子。”丁洪說，量子是構成物質的基本單元，是能量的最基本攜帶者。量子疊加和量子糾纏是量子實體差別于經典實體的地方。

什麼是量子疊加？丁洪舉了個例子，在經典實體中，從宏觀角度來看，任何物質的“态”都是确定的。比如，将一本書放在桌子上，不是正面就是反面。在量子世界中，書卻可以是正面的也可以是反面的，成為一個不确定的疊加态。

同樣，電子自旋也有疊加态。電子的自旋，方向可能是向上，也可能是向下。它的疊加态就是一半向上一半向下，是不确定的。

過去，人們一直沒發現其中的問題，直到提出“薛定谔的貓”這一實驗。薛定谔提出設計一個實驗，在籠子裡放一隻貓，裡面放置一個毒氣瓶。裝置裡有一個開關，用電子的自旋狀态去控制。如果它自旋向上就會将開關打開，放出毒氣毒死貓；如果自旋向下，貓就是安全的。

那麼問題來了，如果電子處于疊加态，貓是死是活？答案是：貓一半是活的，一半是死的。

量子糾纏則更為玄妙。兩個糾纏的粒子，不管距離多遠，對其中一個粒子進行觀測就會即時影響到其它粒子。“量子糾纏就像在量子世界打了一個蟲洞。”說到如何了解量子糾纏，丁洪用電影《星際穿越》中的蟲洞打了個比方。

擁有指數級計算能力

中國科學院郭光燦院士曾這樣解釋量子計算機的計算能力。他說，量子比特可以制備兩個邏輯态0和1的相幹疊加态，換句話講，它可以同時存儲0和1。考慮一個N個實體比特的存儲器，若它是經典存儲器，則它隻能存儲2N個可能資料當中的某一個；若它是量子存儲器，則它可同時存儲2N個資料。而且随着N的增加，其存儲資訊的能力将呈指數級上升。

關于指數級增長的威力，丁洪講了一個故事。在古代印度，一位老人帶着他發明的國際象棋去見國王。國王非常高興，決定賞賜他東西。老人卻表示，國王無法滿足自己的要求。老人的願望是什麼？

在棋盤的第一格上放1粒小麥，第二格上放2粒小麥，第三格上放4粒，第四格上放8粒……一直到第六十四格為止。結果卻發現，這是個天文數字。

為了開發量子計算機強大的并行計算能力，上世紀90年代科學家們提出了無序資料庫搜尋和大數因子分解兩種算法。

發展勢頭迅猛

量子計算不僅可應用于人工智能領域，提升機器學習效率，還能應對複雜情況，如實作天氣的精準預測。生活中的諸多不便如交通擁堵，也能依靠其算法解決。

“(量子計算)發展非常迅速。”丁洪說，以前普遍認為量子計算機是三、五十年之後才能出現的。按照現在的發展速度，可能三五年後就會出現。

目前谷歌、微軟、英特爾、IBM、阿裡巴巴等國際巨頭都積極參與到量子計算機的研究中。2017年12月13日，IBM宣布将與三星、摩根大通和巴克萊銀行等12家主要公司合作，共同開發商用量子計算。

為加速進入量子計算機陣營，各國政府也是“不惜血本”。2013年到2015年的财政預算顯示，歐盟在該領域的投入達48億元，美國投入31.5億元用于量子計算機的研發，我國也投入19億元推進量子領域的發展。目前我國正在籌建量子資訊科學國家實驗室，一期建設用地810畝，一期總投資70億元。

原文釋出時間為：2018.09.22

本文作者：新華網

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