圖(tu)(tu)為我國自(zi)主研(yan)發的超導(dao)量子計算機“悟(wu)源”。 郭光燦供圖(tu)(tu) 制圖(tu)(tu)：趙偲汝
核心閱讀
量(liang)(liang)子(zi)世界的(de)(de)特性，如疊加(jia)性、量(liang)(liang)子(zi)糾(jiu)纏等(deng)，是量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)優越性能的(de)(de)物理根源(yuan)。量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)不僅具有加(jia)速運算(suan)(suan)的(de)(de)功能，而且可以將(jiang)某(mou)些在電子(zi)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)上難解(jie)的(de)(de)問題(ti)變換為可解(jie)的(de)(de)問題(ti)。
當前量子計算(suan)機(ji)正處(chu)在“專(zhuan)用(yong)機(ji)”階段(duan)。盡管如(ru)此，將量子專(zhuan)用(yong)機(ji)與電子超級計算(suan)機(ji)相(xiang)結合，采用(yong)量子—經典混(hun)合算(suan)法(fa)，依(yi)然可以大大提升運(yun)算(suan)速(su)度，起到(dao)量子賦能的效果。這也(ye)正是相(xiang)當長一(yi)段(duan)時間內(nei)，量子計算(suan)機(ji)走(zou)向實用(yong)的主(zhu)流(liu)做法(fa)。
量子(zi)計算正逐(zhu)步應(ying)用到網絡信息安全(quan)、大數據和人工智能、化學生物制藥、金融工程、智能制造等領域，將在國防建設和國民經濟發展(zhan)中(zhong)發揮巨大作用。
近(jin)年來，隨著量子(zi)信息(xi)學的發展，“量子(zi)”成為人們津津樂道的話題(ti)，甚(shen)至被披上神秘的面紗。只有客觀認(ren)識量子(zi)世界(jie)，才(cai)能科(ke)學地將對(dui)量子(zi)世界(jie)的認(ren)知應用到人類生活中。
客觀(guan)地說，量(liang)(liang)(liang)(liang)子信息技術(shu)(shu)時(shi)代尚(shang)未到來。決定其到來時(shi)間的關鍵要素之(zhi)一，是量(liang)(liang)(liang)(liang)子計(ji)算(suan)。只有當通用(yong)量(liang)(liang)(liang)(liang)子計(ji)算(suan)機(ji)得到廣泛(fan)應用(yong)時(shi)，我們才能說人(ren)類社會已經進入量(liang)(liang)(liang)(liang)子信息技術(shu)(shu)時(shi)代。
量子(zi)計(ji)(ji)算的算力指數級超越電子(zi)計(ji)(ji)算
目(mu)前，我們(men)將物(wu)(wu)理(li)(li)(li)(li)世界(jie)分為(wei)(wei)兩(liang)類：凡是(shi)(shi)遵從(cong)經典物(wu)(wu)理(li)(li)(li)(li)學的(de)物(wu)(wu)理(li)(li)(li)(li)客體(ti)所構成的(de)物(wu)(wu)理(li)(li)(li)(li)世界(jie)，稱為(wei)(wei)經典世界(jie)；遵從(cong)量(liang)子(zi)力學的(de)物(wu)(wu)理(li)(li)(li)(li)客體(ti)所構成的(de)物(wu)(wu)理(li)(li)(li)(li)世界(jie)，稱為(wei)(wei)量(liang)子(zi)世界(jie)。這兩(liang)個物(wu)(wu)理(li)(li)(li)(li)世界(jie)有著截然不同(tong)的(de)特性，前者(zhe)每個時刻的(de)狀態(tai)和物(wu)(wu)理(li)(li)(li)(li)量(liang)都是(shi)(shi)確定的(de)，后(hou)者(zhe)則都是(shi)(shi)不確定的(de)。今天人們(men)常用(yong)的(de)電子(zi)計算(suan)機遵從(cong)經典物(wu)(wu)理(li)(li)(li)(li)定律(lv)運行(xing)，而量(liang)子(zi)計算(suan)機則是(shi)(shi)源(yuan)于量(liang)子(zi)力學的(de)量(liang)子(zi)器件，其工(gong)作原理(li)(li)(li)(li)遵從(cong)量(liang)子(zi)力學。
具體(ti)來說，在經典物理中，物理量在某一個(ge)時(shi)刻(ke)具有(you)(you)(you)確(que)定值(zhi)，因此信(xin)(xin)息單(dan)元(yuan)要么(me)是(shi)(shi)0要么(me)是(shi)(shi)1，稱(cheng)為(wei)比(bi)特(te)。這是(shi)(shi)電子(zi)計算機信(xin)(xin)息處理的(de)單(dan)元(yuan)。電子(zi)芯片中的(de)晶體(ti)管，通(tong)電流狀態(tai)(tai)代(dai)(dai)表(biao)(biao)(biao)1，不(bu)(bu)通(tong)代(dai)(dai)表(biao)(biao)(biao)0。而量子(zi)物理具有(you)(you)(you)一個(ge)特(te)征，就是(shi)(shi)不(bu)(bu)確(que)定性，即某一個(ge)時(shi)刻(ke)物理客(ke)體(ti)的(de)物理量不(bu)(bu)具有(you)(you)(you)確(que)定值(zhi)。因此，和經典物理的(de)信(xin)(xin)息單(dan)元(yuan)不(bu)(bu)同，量子(zi)信(xin)(xin)息單(dan)元(yuan)不(bu)(bu)是(shi)(shi)0或1，而是(shi)(shi)表(biao)(biao)(biao)征0的(de)狀態(tai)(tai)和表(biao)(biao)(biao)征1的(de)狀態(tai)(tai)的(de)疊加，稱(cheng)為(wei)量子(zi)比(bi)特(te)。每一個(ge)量子(zi)比(bi)特(te)表(biao)(biao)(biao)征兩個(ge)經典數據。
量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)的(de)(de)物理載體也(ye)不是(shi)晶體管，而是(shi)同(tong)時(shi)具有(you)(you)兩種(zhong)狀(zhuang)態的(de)(de)物理客體，如電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)自旋、光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)偏振、兩能(neng)級的(de)(de)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)等。量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)就是(shi)兩種(zhong)狀(zhuang)態的(de)(de)疊(die)加態。量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)的(de)(de)狀(zhuang)態不同(tong)，就表示它所表征(zheng)的(de)(de)信息不相同(tong)。設想電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)芯片(pian)(pian)有(you)(you)n個(ge)(ge)比(bi)特(te)，由于每個(ge)(ge)比(bi)特(te)具有(you)(you)確定(ding)值(zhi)，因(yin)此它存儲一個(ge)(ge)經典數據；而含有(you)(you)N個(ge)(ge)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)的(de)(de)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)芯片(pian)(pian)，由于每個(ge)(ge)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)表征(zheng)兩個(ge)(ge)經典數據，因(yin)此n個(ge)(ge)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)的(de)(de)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)芯片(pian)(pian)就存儲了2n個(ge)(ge)經典數據。可見(jian)，正(zheng)是(shi)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)不確定(ding)性使得其存儲數據的(de)(de)能(neng)力是(shi)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)芯片(pian)(pian)的(de)(de)2n倍。
計(ji)算(suan)(suan)(suan)機操作(zuo)實際上是(shi)對芯片(pian)所存儲數據(ju)的(de)(de)(de)改變(bian)，電子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)機和量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)機的(de)(de)(de)操作(zuo)大大不(bu)同。前者每操作(zuo)一(yi)(yi)次(ci)(ci)，只能改變(bian)一(yi)(yi)個(ge)數據(ju)，運算(suan)(suan)(suan)過程(cheng)是(shi)一(yi)(yi)個(ge)一(yi)(yi)個(ge)數據(ju)的(de)(de)(de)改變(bian)，稱為串行運算(suan)(suan)(suan)。后者每操作(zuo)一(yi)(yi)次(ci)(ci)，可能將量(liang)子(zi)(zi)芯片(pian)中存儲的(de)(de)(de)2n個(ge)經典數據(ju)同時(shi)變(bian)換成2n個(ge)新數據(ju)。這就是(shi)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)機具有(you)并(bing)行運算(suan)(suan)(suan)能力的(de)(de)(de)物理基礎。
量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)機(ji)處(chu)理(li)某個函數的(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)取決于(yu)量(liang)子(zi)(zi)(zi)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)法(fa)。應(ying)用量(liang)子(zi)(zi)(zi)糾纏可以(yi)開發出有效的(de)(de)(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)(zi)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)法(fa)，將量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)機(ji)并行運算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)能力(li)(li)體現(xian)在實際的(de)(de)(de)(de)信息處(chu)理(li)過程(cheng)中，使量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)機(ji)的(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)法(fa)以(yi)指數級增長(chang)超越電(dian)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)機(ji)。量(liang)子(zi)(zi)(zi)世界的(de)(de)(de)(de)特性，如疊加性、量(liang)子(zi)(zi)(zi)糾纏等，是量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)機(ji)優越性能的(de)(de)(de)(de)物理(li)根源。量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)不僅(jin)具(ju)有加速(su)運算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)的(de)(de)(de)(de)功能，而且可以(yi)將某些在電(dian)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)機(ji)上難解(jie)的(de)(de)(de)(de)問題（如大數因子(zi)(zi)(zi)分解(jie)）變(bian)換(huan)為(wei)可解(jie)的(de)(de)(de)(de)問題。可以(yi)說，量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)機(ji)的(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)力(li)(li)之于(yu)電(dian)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)機(ji)，好比電(dian)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)機(ji)的(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)力(li)(li)之于(yu)舊時的(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)盤。
量(liang)子計算技術正逐步(bu)走向(xiang)行業應用
我們知道從算(suan)(suan)盤時代發(fa)展到當(dang)今的電(dian)子計(ji)算(suan)(suan)機(ji)時代，人(ren)類社會(hui)發(fa)生(sheng)了翻天覆(fu)地(di)的變化，一旦從電(dian)子計(ji)算(suan)(suan)機(ji)過渡到量子計(ji)算(suan)(suan)機(ji)時代，人(ren)類社會(hui)又將再次經(jing)歷巨(ju)大(da)(da)變化。當(dang)前，量子計(ji)算(suan)(suan)正逐步(bu)應用到網絡(luo)信息安全(quan)、大(da)(da)數據和(he)人(ren)工智能、化學(xue)生(sheng)物制(zhi)藥、金融工程、智能制(zhi)造等領域(yu)，將在(zai)國防建設和(he)國民(min)經(jing)濟發(fa)展中(zhong)發(fa)揮巨(ju)大(da)(da)作用。
認識(shi)到量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)對(dui)人(ren)類(lei)社會的(de)(de)(de)(de)巨大影響，當前許(xu)多國家都在(zai)開展量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)研究。2016年，全球首個(ge)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)在(zai)線(xian)平(ping)臺公布。這(zhe)一平(ping)臺搭載5個(ge)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)的(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)處理器，可供全世界用戶使(shi)用，有大約30萬人(ren)通過“云(yun)方式”體驗量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)。2019年，全球首套商用量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)（20個(ge)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)）推出，目(mu)前已有30多臺商用產品供使(shi)用。同年，使(shi)用53個(ge)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)的(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)處理器出現：在(zai)偽隨機(ji)(ji)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)采樣(yang)任(ren)務中，量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)用了大約200秒的(de)(de)(de)(de)時(shi)間完(wan)成運行(xing)，而(er)當時(shi)最強的(de)(de)(de)(de)超級計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)需1萬年才能完(wan)成相應(ying)任(ren)務。我國清華大學與浙江大學成功(gong)合作研制出121個(ge)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)的(de)(de)(de)(de)超導量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)。2022年則出現了當下(xia)最強的(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)，擁有433個(ge)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)。
如今(jin)，量(liang)子(zi)計(ji)算機(ji)研(yan)制(zhi)和應用(yong)已經成為各國戰略(lve)競爭焦點之一，量(liang)子(zi)計(ji)算技術正走出實驗室，走向行業(ye)應用(yong)。據統計(ji)，全球有100多家量(liang)子(zi)計(ji)算公司，量(liang)子(zi)計(ji)算發展呈現一派蓬勃景象。在我國，近年來(lai)一些量(liang)子(zi)計(ji)算機(ji)構(gou)相繼成立，取得的發明(ming)專利數不斷(duan)攀升，24量(liang)子(zi)比特、64量(liang)子(zi)比特等(deng)商用(yong)量(liang)子(zi)計(ji)算機(ji)陸續問世(shi)，國產(chan)量(liang)子(zi)操作系統以(yi)及量(liang)子(zi)操控裝(zhuang)置研(yan)制(zhi)成功，推動著量(liang)子(zi)計(ji)算機(ji)在我國的工程化應用(yong)。
量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)機是(shi)宏觀的(de)(de)(de)(de)量(liang)子(zi)器件，環境不可避免地會破(po)壞量(liang)子(zi)特(te)性，導致(zhi)量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)機喪失(shi)并(bing)行(xing)運算(suan)能力，這種“消相(xiang)干”是(shi)量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)機研(yan)制(zhi)和應用的(de)(de)(de)(de)主要障礙。科學家提出“容(rong)(rong)錯糾錯編(bian)碼原(yuan)理”，理論上(shang)解決了(le)這個難(nan)題，但由于人類尚未掌(zhang)握精(jing)確的(de)(de)(de)(de)量(liang)子(zi)操控能力，因此實(shi)(shi)際技術(shu)難(nan)以(yi)做到(dao)。目(mu)前所使(shi)用的(de)(de)(de)(de)量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)機，實(shi)(shi)際上(shang)是(shi)含有噪聲(sheng)的(de)(de)(de)(de)中(zhong)等規模專(zhuan)用機。人類最(zui)終目(mu)標是(shi)成功研(yan)制(zhi)通用量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)機，為(wei)此量(liang)子(zi)比特(te)應達到(dao)百萬級，而(er)且需要采用“容(rong)(rong)錯糾錯”技術(shu)。這大約還要10年以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)時間(jian)才能實(shi)(shi)現(xian)。
當(dang)(dang)前(qian)量(liang)子計(ji)(ji)算機(ji)正(zheng)處在“專(zhuan)用(yong)機(ji)”階段(duan)。盡管如此，將量(liang)子專(zhuan)用(yong)機(ji)與電子超級計(ji)(ji)算機(ji)相結合(he)，采用(yong)量(liang)子—經典混合(he)算法，依然可以大大提(ti)升(sheng)運算速度，起到量(liang)子賦能的效果。這也正(zheng)是相當(dang)(dang)長一段(duan)時間內(nei)，量(liang)子計(ji)(ji)算機(ji)走向實用(yong)的主(zhu)流做法。期待我國在不斷使(shi)用(yong)中提(ti)升(sheng)量(liang)子專(zhuan)用(yong)機(ji)的性(xing)能，形成“研制—使(shi)用(yong)”的良好發(fa)展生態。這需要(yao)我們(men)準確分析量(liang)子計(ji)(ji)算軟(ruan)硬件技術(shu)的研發(fa)和應用(yong)前(qian)景，科學合(he)理制定整體發(fa)展戰略，明(ming)確近期、中長期目標，分階段(duan)投(tou)入(ru)并考(kao)核，以推動量(liang)子計(ji)(ji)算機(ji)更好更快(kuai)發(fa)展，助力我國社會主(zhu)義(yi)現代化建設。
（作者為中國科學(xue)院(yuan)院(yuan)士(shi)、188bet足球教(jiao)授）
推薦讀物：
《量子(zi)計(ji)算與編程入門(men)》：郭國平、陳(chen)昭昀、郭光燦著；科學出版社(she)出版。
《顛覆——迎(ying)接(jie)第二次量(liang)子革命》：郭光燦著(zhu)；科(ke)學出版(ban)社(she)出版(ban)。
《量(liang)子計算：一(yi)種應用方(fang)法(fa)》：杰克·希(xi)德里(li)著(zhu)；人民(min)郵電(dian)出版社出版。
