到底什么是量子計算機？

量子計算機，已成為引發(fā)激烈角逐的科技前沿。而且，相關(guān)競爭有愈演愈烈之勢。

最近引發(fā)強烈關(guān)注的，是兩大科技巨頭在此領(lǐng)域的進展：IBM于上月宣布，將于今年10月中旬正式發(fā)布擁有53個量子比特的可商用量子計算機;隨后，谷歌研發(fā)團隊在一篇論文中透露，已首次實現(xiàn)量子霸權(quán)。

與經(jīng)典計算機大不相同

據(jù)外媒報道，IBM即將發(fā)布的53個量子比特的量子計算機，將通過云端向客戶開放。

這個量子計算機系統(tǒng)將成為IBM位于美國紐約州的新量子計算中心的一部分。該中心擁有5臺20個量子比特的量子計算機，并計劃于10月增加至14臺。IBM承諾，將對外開放95%的量子計算機的服務(wù)。

上世紀90年代，很多研發(fā)量子計算機的科學(xué)家，被認為是在“騙人”。如今，量子計算機已成為炙手可熱的前沿科技領(lǐng)域，它的發(fā)展前景也被眾多科技公司看好。

那么，到底什么是量子計算機？

“量子計算機從底層到運算模式都與經(jīng)典計算機完全不同。”中國科學(xué)院物理研究所研究員、固態(tài)量子信息與計算實驗室主任范桁介紹道，量子計算機遵循量子力學(xué)原理，以量子比特為基本量子信息單元，以量子糾纏、相干疊加為特色，以解決實用和科學(xué)問題為目標(biāo)。

舉個簡單的例子，經(jīng)典計算機的最基本單元是由0和1組成的比特，量子比特則既可以是0，也可以是1，包含的信息量更大。

“量子計算實現(xiàn)的必要條件包括可擴展、可初始化、長相干等等。”范桁說，其中可擴展性即增加量子比特數(shù)目，可實現(xiàn)大規(guī)模量子計算;而長相干時間即量子態(tài)保持量子相干，能用于邏輯運算。

從用途來看，量子計算機又可以劃分為專用和通用兩種類型。專用計算機可以解決特定的問題，但不適用于解決所有問題;通用量子計算機能解決的問題則更多。

在量子計算機的相關(guān)競爭中，量子霸權(quán)特別受到關(guān)注。

怎么才算實現(xiàn)了量子霸權(quán)?業(yè)界通常認為，量子霸權(quán)是指量子計算機如果在某個問題上的計算能力超過最強大的傳統(tǒng)計算機，就實現(xiàn)了相對傳統(tǒng)計算機的“霸權(quán)”。業(yè)界認為，如能有效操縱50個左右的量子比特，就能實現(xiàn)量子霸權(quán)。

據(jù)外媒報道，谷歌用來實現(xiàn)量子霸權(quán)的量子計算機就擁有53個量子比特。

介于能否解決現(xiàn)實問題邊緣

總體而言，現(xiàn)在量子計算機的發(fā)展處于什么水平?

“50個左右量子比特的量子計算機，介于能夠解決現(xiàn)實問題和不能解決現(xiàn)實問題的邊緣。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點實驗室韓正甫教授在接受科技日報記者采訪時回答道，短時間內(nèi)，讓現(xiàn)有量子計算機去解決現(xiàn)實問題雖有難度，但并非不可能。

在韓正甫看來，量子計算機的未來發(fā)展趨勢是非常明確的：首先要把量子計算機架構(gòu)出來;接下來是增加量子比特數(shù)量，提高量子比特質(zhì)量;之后，量子計算機相關(guān)應(yīng)用軟件也將成為核心競爭點。

“量子計算機的研發(fā)工作目前面臨多個核心難題。”韓正甫說。

這些難題一方面涉及保真度，即量子計算機在計算時產(chǎn)生的誤差可能有多大。誤差越大，保真度就越小。如果保真度小到一定程度，計算結(jié)果就會不可信，量子計算機也就失去了存在的意義。所以必須保證保真度達到一定水平。

另一方面是量子相干性的保持。因為量子計算機在計算過程中，必須保持所有量子比特是互相糾纏的，但外部環(huán)境干擾會消磨量子的相干性。因此，必須尋找方法讓量子相干性保持時間更長一些，從而在量子相干性消失之前，將計算任務(wù)執(zhí)行完。

“目前量子計算機的算法比較少，這或會影響未來量子計算機的應(yīng)用前景。”范桁指出。

不過韓正甫卻給出不同觀點。他認為，目前量子計算機領(lǐng)域主要有兩類算法，如果量子計算機能夠成立的話，這兩類算法的應(yīng)用面已經(jīng)比較廣，并足夠讓我們解決很多問題。

“當(dāng)然，如果有更多新算法，就可以解決更多問題，那將更好。” 韓正甫說。

對于量子計算機到底會用什么材料來做，范桁介紹，科研人員仍在不斷嘗試，目前有多種可能，比如用超導(dǎo)材料、光子材料、原子材料等。無論采用哪種材料，核心原則是適于量子計算機的運行規(guī)律。

盲人摸象般探索前行

韓正甫把量子計算機的研發(fā)比作“盲人摸象”。

“研發(fā)量子計算機就相當(dāng)于，把現(xiàn)在的經(jīng)典計算機從頭做起，整個再做一遍，材料、硬件、軟件、算法等所有環(huán)節(jié)都要重新考慮。”韓正甫解釋道，與此同時，沒有任何案例可以借鑒，誰也不知道如何做才能成功，所以各個研發(fā)團隊只能探索著往前走。

更不要說，研發(fā)過程中還會受到量子性質(zhì)的種種限制，以及各種現(xiàn)實研發(fā)條件的限制。

盡管如此，量子計算機誘人的應(yīng)用前景，仍令人垂涎。

“未來，量子計算機在人工智能、大數(shù)據(jù)處理、信息搜索、生物制藥、物流優(yōu)化等領(lǐng)域都可以發(fā)揮重要作用。”范桁說，以生物制藥領(lǐng)域為例，量子計算機能更好地模擬生物反應(yīng)所涉及的量子過程。

多位業(yè)內(nèi)人士告訴科技日報記者，目前國外的谷歌、IBM、Deep-Wave等公司正在大力研發(fā)量子計算機，國內(nèi)的阿里巴巴、騰訊、華為等企業(yè)也成立了量子計算機的研發(fā)團隊。

從國家層面來看，量子信息技術(shù)也受到前所未有的重視。

2018年，美國國會通過了“國家量子倡議法案”。依據(jù)該法案，美國將實施國家量子倡議項目，目標(biāo)是在未來10年加速發(fā)展量子信息科學(xué)及其技術(shù)應(yīng)用。該法案規(guī)定，美國總統(tǒng)必須成立國家量子倡議咨詢委員會，以掌握國家量子倡議項目以及量子信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的進展。

歐盟委員會則在2018年宣布了“量子旗艦計劃”，預(yù)計今后10年在量子研發(fā)領(lǐng)域投入10億歐元。該計劃的目標(biāo)之一是鞏固和擴大歐洲在量子技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

中國也對量子通信和量子計算機的技術(shù)研發(fā)十分重視。其中量子通信和量子計算機已被列入“科技創(chuàng)新2030—重大項目”。據(jù)相關(guān)報道，量子信息科學(xué)國家實驗室的建設(shè)工作也正在推進。

“如果今后50年是量子計算機的時代，而在量子計算機領(lǐng)域沒有相關(guān)核心技術(shù)的話，肯定將會受制于人，因此這個領(lǐng)域的競爭是誰也輸不起的。”范桁說。