[科普中國]-超越經(jīng)典一小步 量子計算一大步

視覺中國供圖

在位于上海浦東新區(qū)的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院實(shí)驗大樓內(nèi)，一個不足3平方米的工作臺上，上百個元器件看似毫無規(guī)則地自由生長著：有的上面光禿無物，有的則頂著像放大鏡模樣的波片，大小不一，形態(tài)各樣，周邊框梁布滿了光纖。很難想象，這就是剛剛問世的中國光量子計算機(jī)的主體，一個甫一面世就成了中國科技界乃至世界科技界的閃耀明星。

5月3日，這臺計算機(jī)的研制方——中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院在這里宣布，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華研究組，構(gòu)建了這臺基于單光子的量子計算機(jī)，這是世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)。

一時間評價紛至沓來：“中國科學(xué)家再次站在了創(chuàng)新的前沿”“量子計算機(jī)，開啟新的中國速度”“量子計算將徹底改變?nèi)祟愇磥淼膽?yīng)用前景”……就連這次成果的焦點(diǎn)人物潘建偉在接受記者采訪時也提到，“量子計算研究就像雨后春筍，到了爆發(fā)式發(fā)展的關(guān)鍵時刻?！蹦敲催@臺“中國造”的量子計算機(jī)究竟能有何能耐，又將為我們帶來什么？中國青年報·中青在線記者采訪了相關(guān)專家。

自行車與飛機(jī)

人們之所以對量子計算機(jī)充滿期待，和傳統(tǒng)計算機(jī)遭遇的種種問題不無關(guān)系：近年來，傳統(tǒng)計算機(jī)逐漸遭遇功耗瓶頸、通信瓶頸等一系列問題，其性能增長越來越困難，探索全新物理原理的高性能計算技術(shù)的需求應(yīng)運(yùn)而生。

量子計算機(jī)就是科學(xué)家嘗試打開未來無限可能性的一把鑰匙。從理論上來看，量子計算機(jī)可以很輕松地“秒殺”傳統(tǒng)經(jīng)典計算機(jī)：曾有人打過一個比方，如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計算機(jī)的速度是自行車，量子計算機(jī)的速度就好比飛機(jī)。

而“秒殺”的奧妙就在于“量子”二字。

所謂量子，是指構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，不可分割。人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

潘建偉說，量子有一種特性，決定著它超快的計算能力，這種特性就是“量子疊加”。 這是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別——著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個佯謬。在經(jīng)典世界里，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上。

有了這種疊加的“天性”，量子計算也就具備了并行的能力，即可以實(shí)現(xiàn)同步計算。按照科學(xué)家的說法，經(jīng)典計算機(jī)在二進(jìn)制算法中只能“非此即彼”：要么是0，要么是1。但量子計算機(jī)卻擁有了“同時存在”的能力。

打個形象的比方，目前我們常用的經(jīng)典計算機(jī)，在提取某個需要解決的問題時，需要把所有可能性列舉并驗證一遍，才能“找到”正確的信息，這相當(dāng)于一個擁有雙手的人，一個時間段只能做一件事情；而量子并行計算能夠直接計算并提取出相應(yīng)信息，相當(dāng)于一個擁有2的N次方雙手的千手觀音，可以同時做2的N次方雙手可以做的事情。

后者速度有多快，就取決于N的指數(shù)級增加。

在5月3日的新聞發(fā)布會上，潘建偉和與會者一起重溫了那個有關(guān)棋盤麥粒的經(jīng)典故事——

在古老的印度，國王準(zhǔn)備獎賞國際象棋發(fā)明人，便問他想要什么。這位發(fā)明人指著面前的棋盤，對國王說：請在棋盤的第1個小格，放1粒麥子，在第2個小格放2粒，第3個小格放4粒，以后每一小格都比前一小格加一倍，如此類推當(dāng)把棋盤上64格的麥粒都填滿后，來作給我的賞賜。

國王剛開始以為這很簡單。不料，當(dāng)人們把一袋一袋的麥子搬來開始計數(shù)時，國王才發(fā)現(xiàn)：就是把全印度的麥粒都拿來，也滿足不了那位宰相的要求——如果一秒鐘數(shù)兩粒，要花費(fèi)上億年才能數(shù)完。

潘建偉說，同樣的道理，隨著N不斷地變大，量子計算機(jī)的計算能力也將呈現(xiàn)指數(shù)級的增長，一些經(jīng)典計算機(jī)無法解決的大規(guī)模計算難題將“迎刃而解”。他以大數(shù)因數(shù)分解為例，經(jīng)典計算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬年，萬億次量子計算機(jī)分解這個大數(shù)，則僅需要1秒鐘。

理想與現(xiàn)實(shí)

按照潘建偉的描述，量子計算機(jī)也有望在人類社會的大規(guī)模計算難題上大展拳腳——

在公共安全領(lǐng)域，量子計算可以瞬間處理監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中60億人次的臉部圖片，并實(shí)時辨別出一個人的身份；在公共交通領(lǐng)域，量子計算能夠迅速對復(fù)雜的交通狀況進(jìn)行分析預(yù)判，從而調(diào)度綜合交通系統(tǒng)，最大限度避免道路擁堵，等等。

不過，這些目前都還只是科學(xué)家的“理想”前景，現(xiàn)實(shí)中的量子計算機(jī)還遠(yuǎn)沒有達(dá)到這個應(yīng)用水平。

即便是中國光量子計算機(jī)，也只是打敗了早期的電子計算機(jī)的速度，比人類歷史上第一臺電子管計算機(jī)和第一臺晶體管計算機(jī)運(yùn)行速度快10倍至100倍，但相比于眼下的智能手機(jī)，以及手提電腦，“速度上要慢得多”。

上世紀(jì)80年代初，美國物理學(xué)家費(fèi)曼提出量子計算機(jī)的概念，但經(jīng)過30多年的努力，世界上最好的量子計算機(jī)也很難完成一些“看似小兒科”的現(xiàn)實(shí)數(shù)學(xué)問題，以至于對此持懷疑態(tài)度的人給出這樣的說法：量子計算雖是革命性技術(shù)，但似乎總是遙不可及。

如今，事情似乎有所轉(zhuǎn)機(jī)。今年年初，《自然》雜志在一篇以《2017年將是量子計算機(jī)從實(shí)驗室走進(jìn)現(xiàn)實(shí)》為題的文章中說，量子計算長期以來都被認(rèn)為是20年以后才會實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。但是，2017年可能是這領(lǐng)域改變其“僅限于研究”印象的一年。

這種改變在5月3日的中國上海得到了印證，世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的量子計算機(jī)在這里問世。

潘建偉說，科學(xué)界有一種說法，就計算能力而言，量子計算研究有“三步走”。第一步是超越首臺電子計算機(jī)的計算能力，第二步是超越商用中央處理器的計算能力，第三步是超越超級計算機(jī)的計算能力。

如今，潘建偉團(tuán)隊走完了第一步。他說，“目前我們實(shí)現(xiàn)的只是其中的第一步，但這一小步卻是重要的一步?！?/p>

《自然·光子學(xué)》審稿人在評價這項成果時表示：“中國科學(xué)家研制出的這臺量子計算機(jī)，可以說是量子計算領(lǐng)域的埃尼亞克（ENIAC）”，后者是世界上第一臺電子管計算機(jī)，開辟了經(jīng)典算法計算機(jī)的時代。

中國這臺量子計算機(jī)的“里程碑”意義可見一斑。

追趕與超越

事實(shí)上，世界各地的實(shí)驗室推出實(shí)現(xiàn)量子計算的方案不少，但實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于對微觀量子態(tài)的“操縱”。目前,潘建偉團(tuán)隊在3個很有希望的方向努力推進(jìn)：光子量子計算、超冷原子量子計算和超導(dǎo)量子計算。

5月3日亮相的光量子計算機(jī)就是一種操縱5個粒子，即5個光量子比特的量子計算原型機(jī)。根據(jù)量子理論，量子計算機(jī)的計算能力將隨著可操縱的粒子數(shù)增加而呈現(xiàn)大幅增長。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽告訴記者，該團(tuán)隊接下來的目標(biāo)是，在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，并致力于20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計、制備和測試。

那時，量子計算機(jī)的計算速度將接近目前最好的商用中央處理器——也就是前面所說的“第二步”，追趕上目前手提電腦的速度。陸朝陽說，到2020年，希望能夠達(dá)到50個左右量子比特的操縱，屆時有可能實(shí)現(xiàn)“第三步”的突破，即超越超級計算機(jī)。

此前，美國加州理工學(xué)院的物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾提到了一個詞，叫“量子稱霸”，大意是說，當(dāng)量子計算機(jī)擁有5到20個量子比特時，能完成頂級超級計算機(jī)所能完成的事情，而一旦擁有超過49個左右量子比特后，量子計算機(jī)的能力將讓超級計算機(jī)望塵莫及。

“這是被稱為‘量子稱霸’的任務(wù)，科學(xué)家最初設(shè)計這個問題的動機(jī)就是為了顯示量子計算機(jī)的能力，跟經(jīng)典的計算機(jī)競賽，看看誰跑得快?！标懗栒f。

潘建偉說，未來10年之內(nèi)，科學(xué)界很有可能做到100量子比特的操縱，屆時，其計算能力可能比目前最強(qiáng)大的超級計算機(jī)還要快百億億倍。

再進(jìn)一步預(yù)測，潘建偉說，如果將來能夠做到1000個量子以上，科學(xué)家也許就可以研究意識是怎么產(chǎn)生的，或許能催生強(qiáng)大到無法想象的人工智能。

不過那時，普通民眾很可能還是用不上量子計算機(jī)。潘建偉說，以現(xiàn)有的手機(jī)終端為例，可以通過云計算平臺，把需要完成的計算任務(wù)送到云端，讓后臺的量子計算機(jī)來完成。

他也承認(rèn)，正如古代發(fā)明算盤的人不會想到今天的計算機(jī)一樣，他也難以準(zhǔn)確地預(yù)測未來量子計算機(jī)的巨大能量，一切只能拭目以待。

更多精彩！歡迎關(guān)注“科普中國-科技前沿大師談”官方微信（kjqydst）。