你交過(guò)“量子茶杯”的智商稅嗎？量子計(jì)算：后摩爾時(shí)代計(jì)算能力提升的解決方案

“量子”已經(jīng)是當(dāng)下的熱門研究領(lǐng)域。作為吃瓜群眾，可能用過(guò)“遇事不決，量子力學(xué)”的梗，也可能交過(guò)“量子茶杯”的智商稅……不過(guò)，到底量子科技是什么？你知道嗎？圍繞量子信息科技主題，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)撰寫了本科普文章，對(duì)量子信息科技進(jìn)行了較為完整的介紹和展望。

量子計(jì)算是基于量子力學(xué)的全新計(jì)算模式，具有原理上遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算的強(qiáng)大并行計(jì)算能力，為人工智能、密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、資源勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供了解決方案，并可揭示量子相變、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機(jī)制。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用0或者1的比特來(lái)存儲(chǔ)信息不同，量子計(jì)算以量子比特作為信息編碼和存儲(chǔ)的基本單元?；诹孔恿W(xué)的疊加原理，一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于0和1兩種狀態(tài)的相干疊加，即可以用于表示0和1兩個(gè)數(shù)。推而廣之，n個(gè)量子比特便可表示2n個(gè)數(shù)的疊加，使得一次量子操作原理上可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)2n個(gè)疊加的數(shù)進(jìn)行并行運(yùn)算，這相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行2n次操作。因此，量子計(jì)算提供了一種從根本上實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的思路，具備極大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的潛力。

類似于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)也可以沿用圖靈機(jī)的框架，通過(guò)對(duì)量子比特進(jìn)行可編程的邏輯操作，執(zhí)行通用的量子運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的大幅提升，甚至是指數(shù)級(jí)的加速。一個(gè)典型的例子是1994年提出的快速質(zhì)因數(shù)分解量子算法(Shor算法)。質(zhì)因數(shù)分解的計(jì)算復(fù)雜度是廣泛使用的RSA公鑰密碼系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)。例如，如果用每秒運(yùn)算萬(wàn)億次的經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)分解一個(gè)300位的大數(shù)，需要10萬(wàn)年以上;而如果利用同樣運(yùn)算速率、執(zhí)行Shor算法的量子計(jì)算機(jī)，則只需要1秒。因此，量子計(jì)算機(jī)一旦研制成功，將對(duì)經(jīng)典信息安全體系帶來(lái)巨大影響。

量子計(jì)算的發(fā)展階段

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨量子比特?cái)?shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此量子計(jì)算研究的核心任務(wù)是多量子比特的相干操縱。根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模，國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)量子計(jì)算有如下發(fā)展階段：

第一個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，達(dá)到這一目標(biāo)需要約50個(gè)量子比特的相干操縱。美國(guó)谷歌公司在2019年率先實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)線路體系的“量子計(jì)算優(yōu)越性”。我國(guó)則分別于2020年在光量子體系、2021年在超導(dǎo)線路體系實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。目前，我國(guó)是世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到這一里程碑的國(guó)家。

第二個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)，即相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問(wèn)題，指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)、藥物開發(fā)等。達(dá)到該階段需要5至10年，是當(dāng)前的主要研究任務(wù)。

第三個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱至少數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于量子比特容易受到環(huán)境噪聲的影響而出錯(cuò)，對(duì)于規(guī)?；牧孔颖忍叵到y(tǒng)，通過(guò)量子糾錯(cuò)來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的正確運(yùn)行是必然要求，也是一段時(shí)期內(nèi)面臨的主要挑戰(zhàn)。由于技術(shù)上的難度，何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚不明確，國(guó)際學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要15年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

目前，國(guó)際上正在對(duì)各種有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的物理體系開展系統(tǒng)性研究。我國(guó)已完成了所有重要量子計(jì)算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國(guó)在內(nèi)的三個(gè)具有完整布局的國(guó)家(地區(qū))之一。

超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)趕超

目前，美國(guó)谷歌公司、IBM公司以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)是全球超導(dǎo)量子計(jì)算研究的前三強(qiáng)。2019年10月，在持續(xù)重金投入量子計(jì)算10余年后，谷歌正式宣布實(shí)驗(yàn)證明了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。他們構(gòu)建了一個(gè)包含53個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子處理器，命名為“Sycamore(懸鈴木)”。在隨機(jī)線路取樣這一特定任務(wù)上，“懸鈴木”展現(xiàn)出遠(yuǎn)超超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。

2021年5月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)構(gòu)建了當(dāng)時(shí)國(guó)際上量子比特?cái)?shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，并實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了66比特的“祖沖之二號(hào)”。“祖沖之二號(hào)”具備執(zhí)行任意量子算法的編程能力，實(shí)現(xiàn)了量子隨機(jī)線路取樣的快速求解。根據(jù)目前已公開的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“祖沖之二號(hào)”對(duì)量子隨機(jī)線路取樣問(wèn)題的處理速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000萬(wàn)倍，計(jì)算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木”提高了100萬(wàn)倍。

其他體系的量子計(jì)算研究

離子、硅基量子點(diǎn)等物理體系同樣具有多比特?cái)U(kuò)展和容錯(cuò)性的潛力，也是目前國(guó)際量子計(jì)算研究的熱點(diǎn)方向。我國(guó)在離子體系的量子計(jì)算研究上起步較晚，目前整體上處于追趕狀態(tài)，國(guó)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)研究單位包括清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)等，在離子阱的制備、單離子相干保持時(shí)間、高精度量子邏輯門、多比特量子糾纏等量子計(jì)算的基本要素方面積累了大量關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)在硅基量子點(diǎn)的量子計(jì)算方向上與國(guó)際主要研究力量處于并跑水平。此外，由于拓?fù)淞孔佑?jì)算在容錯(cuò)能力上的優(yōu)越性，利用拓?fù)潴w系實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算是國(guó)際上面向長(zhǎng)遠(yuǎn)的重要研究目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外均在為實(shí)現(xiàn)單個(gè)拓?fù)淞孔颖忍剡@一“0到1”的突破而努力。

量子計(jì)算的未來(lái)發(fā)展

在實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的階段目標(biāo)后，未來(lái)量子計(jì)算的發(fā)展將集中在兩個(gè)方面：

一是繼續(xù)提升量子計(jì)算性能。為了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算，首要考慮的就是如何高精度地?cái)U(kuò)展量子計(jì)算系統(tǒng)規(guī)模。在實(shí)現(xiàn)量子比特?cái)U(kuò)展的時(shí)候，比特的數(shù)量和質(zhì)量都極其重要，需要實(shí)驗(yàn)的每個(gè)環(huán)節(jié)(量子態(tài)的制備、操控和測(cè)量)都要保持高精度、低噪聲，并且隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，噪聲和串?dāng)_等因素帶來(lái)的錯(cuò)誤也隨之增加，這對(duì)量子體系的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，仍需大量科學(xué)和工程的協(xié)同努力。

二是探索量子計(jì)算應(yīng)用。預(yù)計(jì)未來(lái)5年，量子計(jì)算有望突破上千比特，雖然暫時(shí)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的通用量子計(jì)算，但科學(xué)家們希望探索在帶噪聲的量子計(jì)算(NISQ)階段，將量子計(jì)算應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域，形成近期應(yīng)用。