量子計(jì)算會(huì)迎來科技革命嗎

“遇事不決，量子力學(xué)?！?/p>

是近年來科學(xué)界有趣的流行語。似乎量子學(xué)可以“解決”當(dāng)下所有無法解釋的問題。這句話或許是調(diào)侃，但不可否認(rèn)的是，量子學(xué)確確實(shí)實(shí)是人類突破當(dāng)前科技瓶頸的重要方向之一。

提到量子學(xué)以及量子計(jì)算，就不得不從量子開始說起。

量子是現(xiàn)代物理的重要概念，即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子，代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”。它最早是由德國物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出。

量子學(xué)則是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基本理論。

而量子計(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。

打破摩爾定律，量子計(jì)算帶來新曙光

隨著摩爾定律的失效，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力已接近頂峰。算力停滯不前，導(dǎo)致需要高算力應(yīng)用的行業(yè)停滯不前，這必然會(huì)成為科技進(jìn)步的重大阻礙，而量子計(jì)算帶來的超大算力則成為新的曙光。

量子計(jì)算機(jī)的工作方式與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有著根本上的不同。超級(jí)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵區(qū)別在于它們存儲(chǔ)信息的方式，超級(jí)計(jì)算機(jī)和任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣，是二進(jìn)制位的，處理的是1和0的問題。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)每比特非0即1，而在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特可以處于既是0又是1的量子疊加態(tài)，這使得量子計(jì)算機(jī)具備傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法想象的超級(jí)算力。不過，這并不意味著量子比特可以像薛定諤的貓一樣，同時(shí)是兩個(gè)相互矛盾的東西——既是活的又是死的，或者既是0又是1。

理論上，當(dāng)量子比特“不可避免地”連結(jié)在一起時(shí)，物理學(xué)家可以利用它們波狀量子態(tài)之間的干擾來進(jìn)行計(jì)算。不通過這種方式，相關(guān)計(jì)算可能要花費(fèi)數(shù)百萬年的時(shí)間。例如，一臺(tái) 10 量子位量子計(jì)算機(jī)可以一次處理 210 或 1024 個(gè)可能的輸入。

量子計(jì)算機(jī)的處理能力理論上是無限的。量子計(jì)算能讓眾多產(chǎn)業(yè)的構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí)，例如真正的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛以及人工智能。

目前全球主流國家及大公司都在積極的進(jìn)行量子計(jì)算的研究，以期望自己能率先實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)（quantum supremacy）”。

2012年，美國加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家John Preskill提出了“量子霸權(quán)”這一概念，指量子計(jì)算機(jī)可以做到經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)不了的事。

此后，“量子霸權(quán)”長(zhǎng)期被用于描述量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，指量子計(jì)算機(jī)能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的復(fù)雜難題，也就是展現(xiàn)量子優(yōu)越性。而這是量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)際運(yùn)用的關(guān)鍵一步。其中，一個(gè)常被當(dāng)作量子霸權(quán)的重要指標(biāo)是量子比特 （Qubit） 數(shù)量，有學(xué)者認(rèn)為，大概 50 個(gè)量子比特左右，量子計(jì)算機(jī)就能達(dá)到“量子霸權(quán)”。

19年10月，谷歌宣布自己完成“量子霸權(quán)”，不過隨后被IBM否認(rèn)。但谷歌發(fā)表的成果可以幫助人們更好地了解，人類目前離通用型量子技術(shù)還有多遠(yuǎn)。

五十年發(fā)展不易，量子計(jì)算到來仍需時(shí)間

量子計(jì)算的研究興起于20世紀(jì)70年代，針對(duì)計(jì)算機(jī)的熱耗效應(yīng)，阿崗國家實(shí)驗(yàn)室的Benoiff認(rèn)為只要消除計(jì)算過程中的不可逆操作，就不存在計(jì)算的能耗下限，于是人們提出不可逆計(jì)算機(jī)的概念。Benoiff最先提出了一個(gè)基于量子力學(xué)的可逆計(jì)算機(jī)模型。

1982年，加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feynman指出，量子計(jì)算機(jī)可以用來模擬量子多體系統(tǒng)的演化，而這一任務(wù)是經(jīng)典計(jì)算機(jī)做不到的。1985年，牛津大學(xué)教授Deutsch建立了量子圖靈機(jī)的模型。

1995年，物理學(xué)家第一次提出了量子比特信息學(xué)上的概念，并創(chuàng)造了“量子比特”（qubit）的說法。

2001年，IBM利用核磁共振技術(shù)激活7枚核自旋體使其成為量子比特，在成功運(yùn)行了上兆次之后，終于成功地將15質(zhì)數(shù)分解為3×5，量子計(jì)算機(jī)第一次將使得量子計(jì)算變成了現(xiàn)實(shí)——整整10年之后，中國的科學(xué)家利用4個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)了分解143。

2005年，人們成功地在粒子阱中控制住了8個(gè)量子比特，到了2010年，人們已經(jīng)可以在粒子阱中制造出14個(gè)處于糾纏態(tài)的量子比特。

此后，量子計(jì)算變的可應(yīng)用，在應(yīng)用方面，2011年D-Wave推出了運(yùn)行128位的一體量子計(jì)算機(jī)D-WaveOne，這被認(rèn)為是世界上第一臺(tái)商用化的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2012年，D-Wave推出了512位量子計(jì)算機(jī)D-WaveTwo。2015年，D-Wave發(fā)布了基于chimeragraph架構(gòu)的新一代1152位量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)D-Wave2X。

雖然量子計(jì)算將有可能使計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大大超過今天的計(jì)算機(jī)，但仍然存在很多障礙。

大規(guī)模量子計(jì)算所存在重要的問題是，如何長(zhǎng)時(shí)間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時(shí)又能夠在這個(gè)時(shí)間段之內(nèi)做出足夠多的具有超高精度的量子邏輯操作。

量子計(jì)算需要讓所有的量子位都持續(xù)處于一種“相干態(tài)”，而這并不是一件簡(jiǎn)單的事。

目前“相干態(tài)”僅能維持幾分之一秒，而隨著量子比特的數(shù)量以及與環(huán)境相互作用的可能性的增加，這個(gè)挑戰(zhàn)將變得越來越大。

量子計(jì)算難以被實(shí)現(xiàn)的第二個(gè)主要原因，是它像大自然中其它所有的過程一樣，存在“雜音”。雖然在經(jīng)典計(jì)算中也存在這個(gè)問題，但在經(jīng)典計(jì)算中處理它們只需保留每個(gè)計(jì)算位的兩個(gè)或多個(gè)副本，以便檢查。

雖然研究人員目前已經(jīng)制定了如何在量子計(jì)算中處理這類噪聲的策略，但目前的這些處理方法會(huì)大幅增加計(jì)算成本——所有的計(jì)算能力都被用來糾錯(cuò)，而不是運(yùn)行算法。

第三個(gè)主要原因源于量子系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵性質(zhì)，如果不測(cè)量，疊加態(tài)就會(huì)一直維持下去。如果你做了一次測(cè)量，量子位的疊加態(tài)就會(huì)坍縮至一個(gè)確定的結(jié)果：1 或 0。所以，我們不知道一個(gè)量子位是到底代表的是1還是0。如果需要測(cè)量，就需要更多的量子位。

雖然困難重重，但可以確定的是，量子計(jì)算，將是下一輪科技革命的新起點(diǎn)。

量子計(jì)算結(jié)合了過去半個(gè)世紀(jì)以來兩個(gè)最大的技術(shù)變革：信息技術(shù)和量子力學(xué)。如果我們使用量子力學(xué)的規(guī)則替換二進(jìn)制邏輯來計(jì)算，某些難以攻克的計(jì)算任務(wù)將得到解決。

量子計(jì)算的概念正在激勵(lì)新一代物理學(xué)家、工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，從根本上改變信息技術(shù)的格局。未來量子計(jì)算的進(jìn)步，將會(huì)是科技的進(jìn)步，也是人類的進(jìn)步。