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量子世界的特性，如疊加性、量子糾纏等，是量子計算機優(yōu)越性能的物理根源。量子計算不僅具有加速運算的功能，而且可以將某些在電子計算機上難解的問題變換為可解的問題。
當前量子計算機正處在“專用機”階段。盡管如此，將量子專用機與電子超級計算機相結(jié)合，采用量子—經(jīng)典混合算法，依然可以大大提升運算速度，起到量子賦能的效果。這也正是相當長一段時間內(nèi)，量子計算機走向?qū)嵱玫闹髁髯龇ā?/p>
量子計算正逐步應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)信息安全、大數(shù)據(jù)和人工智能、化學生物制藥、金融工程、智能制造等領(lǐng)域，將在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮巨大作用。
近年來，隨著量子信息學的發(fā)展，“量子”成為人們津津樂道的話題，甚至被披上神秘的面紗。只有客觀認識量子世界，才能科學地將對量子世界的認知應(yīng)用到人類生活中。
客觀地說，量子信息技術(shù)時代尚未到來。決定其到來時間的關(guān)鍵要素之一，是量子計算。只有當通用量子計算機得到廣泛應(yīng)用時，我們才能說人類社會已經(jīng)進入量子信息技術(shù)時代。
量子計算的算力指數(shù)級超越電子計算
目前，我們將物理世界分為兩類：凡是遵從經(jīng)典物理學的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為經(jīng)典世界；遵從量子力學的物理客體所構(gòu)成的物理世界，稱為量子世界。這兩個物理世界有著截然不同的特性，前者每個時刻的狀態(tài)和物理量都是確定的，后者則都是不確定的。今天人們常用的電子計算機遵從經(jīng)典物理定律運行，而量子計算機則是源于量子力學的量子器件，其工作原理遵從量子力學。
具體來說，在經(jīng)典物理中，物理量在某一個時刻具有確定值，因此信息單元要么是0要么是1，稱為比特。這是電子計算機信息處理的單元。電子芯片中的晶體管，通電流狀態(tài)代表1，不通代表0。而量子物理具有一個特征，就是不確定性，即某一個時刻物理客體的物理量不具有確定值。因此，和經(jīng)典物理的信息單元不同，量子信息單元不是0或1，而是表征0的狀態(tài)和表征1的狀態(tài)的疊加，稱為量子比特。每一個量子比特表征兩個經(jīng)典數(shù)據(jù)。
量子比特的物理載體也不是晶體管，而是同時具有兩種狀態(tài)的物理客體，如電子的自旋、光子的偏振、兩能級的原子等。量子比特就是兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。量子比特的狀態(tài)不同，就表示它所表征的信息不相同。設(shè)想電子芯片有n個比特，由于每個比特具有確定值，因此它存儲一個經(jīng)典數(shù)據(jù)；而含有N個量子比特的量子芯片，由于每個量子比特表征兩個經(jīng)典數(shù)據(jù)，因此n個量子比特的量子芯片就存儲了2n個經(jīng)典數(shù)據(jù)。可見，正是量子的不確定性使得其存儲數(shù)據(jù)的能力是電子芯片的2n倍。
計算機操作實際上是對芯片所存儲數(shù)據(jù)的改變，電子計算機和量子計算機的操作大大不同。前者每操作一次，只能改變一個數(shù)據(jù)，運算過程是一個一個數(shù)據(jù)的改變，稱為串行運算。后者每操作一次，可能將量子芯片中存儲的2n個經(jīng)典數(shù)據(jù)同時變換成2n個新數(shù)據(jù)。這就是量子計算機具有并行運算能力的物理基礎(chǔ)。
量子計算機處理某個函數(shù)的速度取決于量子算法。應(yīng)用量子糾纏可以開發(fā)出有效的量子算法，將量子計算機并行運算能力體現(xiàn)在實際的信息處理過程中，使量子計算機的算法以指數(shù)級增長超越電子計算機。量子世界的特性，如疊加性、量子糾纏等，是量子計算機優(yōu)越性能的物理根源。量子計算不僅具有加速運算的功能，而且可以將某些在電子計算機上難解的問題(如大數(shù)因子分解)變換為可解的問題?？梢哉f，量子計算機的算力之于電子計算機，好比電子計算機的算力之于舊時的算盤。
量子計算技術(shù)正逐步走向行業(yè)應(yīng)用
我們知道從算盤時代發(fā)展到當今的電子計算機時代，人類社會發(fā)生了翻天覆地的變化，一旦從電子計算機過渡到量子計算機時代，人類社會又將再次經(jīng)歷巨大變化。當前，量子計算正逐步應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)信息安全、大數(shù)據(jù)和人工智能、化學生物制藥、金融工程、智能制造等領(lǐng)域，將在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮巨大作用。
認識到量子計算對人類社會的巨大影響，當前許多國家都在開展量子計算研究。2016年，全球首個量子計算在線平臺公布。這一平臺搭載5個量子比特的量子處理器，可供全世界用戶使用，有大約30萬人通過“云方式”體驗量子計算。2019年，全球首套商用量子計算機(20個量子比特)推出，目前已有30多臺商用產(chǎn)品供使用。同年，使用53個量子比特的量子處理器出現(xiàn)：在偽隨機量子采樣任務(wù)中，量子計算機用了大約200秒的時間完成運行，而當時最強的超級計算機需1萬年才能完成相應(yīng)任務(wù)。我國清華大學與浙江大學成功合作研制出121個量子比特的超導量子計算機。2022年則出現(xiàn)了當下最強的量子計算機，擁有433個量子比特。
如今，量子計算機研制和應(yīng)用已經(jīng)成為各國戰(zhàn)略競爭焦點之一，量子計算技術(shù)正走出實驗室，走向行業(yè)應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，全球有100多家量子計算公司，量子計算發(fā)展呈現(xiàn)一派蓬勃景象。在我國，近年來一些量子計算機構(gòu)相繼成立，取得的發(fā)明專利數(shù)不斷攀升，24量子比特、64量子比特等商用量子計算機陸續(xù)問世，國產(chǎn)量子操作系統(tǒng)以及量子操控裝置研制成功，推動著量子計算機在我國的工程化應(yīng)用。
量子計算機是宏觀的量子器件，環(huán)境不可避免地會破壞量子特性，導致量子計算機喪失并行運算能力，這種“消相干”是量子計算機研制和應(yīng)用的主要障礙?？茖W家提出“容錯糾錯編碼原理”，理論上解決了這個難題，但由于人類尚未掌握精確的量子操控能力，因此實際技術(shù)難以做到。目前所使用的量子計算機，實際上是含有噪聲的中等規(guī)模專用機。人類最終目標是成功研制通用量子計算機，為此量子比特應(yīng)達到百萬級，而且需要采用“容錯糾錯”技術(shù)。這大約還要10年以上的時間才能實現(xiàn)。
當前量子計算機正處在“專用機”階段。盡管如此，將量子專用機與電子超級計算機相結(jié)合，采用量子—經(jīng)典混合算法，依然可以大大提升運算速度，起到量子賦能的效果。這也正是相當長一段時間內(nèi)，量子計算機走向?qū)嵱玫闹髁髯龇?。期待我國在不斷使用中提升量子專用機的性能，形成“研制—使用”的良好發(fā)展生態(tài)。這需要我們準確分析量子計算軟硬件技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用前景，科學合理制定整體發(fā)展戰(zhàn)略，明確近期、中長期目標，分階段投入并考核，以推動量子計算機更好更快發(fā)展，助力我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)。
(作者為中國科學院院士、中國科學技術(shù)大學教授)
推薦讀物：
《量子計算與編程入門》：郭國平、陳昭昀、郭光燦著；科學出版社出版。
《顛覆——迎接第二次量子革命》：郭光燦著；科學出版社出版。
《量子計算：一種應(yīng)用方法》：杰克·希德里著；人民郵電出版社出版。
郭光燦（來源：人民日報）
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