“遇事不決，量子力學(xué)?！?/span>

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)確確實實是人類突破當(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，即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，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動規(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)行計算的新型計算模式。

打破摩爾定律，量子計算帶來新曙光

隨著摩爾定律的失效，傳統(tǒng)計算機(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，這必然會成為科技進(jìn)步的重大阻礙，而量子計算帶來的超大算力則成為新的曙光。

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

傳統(tǒng)計算機(jī)每比特非0即1，而在量子計算機(jī)中，量子比特可以處于既是0又是1的量子疊加態(tài)，這使得量子計算機(jī)具備傳統(tǒng)計算機(jī)無法想象的超級算力。不過，這并不意味著量子比特可以像薛定諤的貓一樣，同時是兩個相互矛盾的東西——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，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)行計算。不通過這種方式，相關(guān)計算可能要花費數(shù)百萬年的時間。例如，一臺 10 量子位量子計算機(jī)可以一次處理 210 或 1024 個可能的輸入。

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

目前全球主流國家及大公司都在積極的進(jìn)行量子計算的研究，以期望自己能率先實現(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，指量子計算機(jī)可以做到經(jīng)典計算機(jī)實現(xiàn)不了的事。

此后，“量子霸權(quán)”長期被用于描述量子計算機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點，指量子計算機(jī)能解決傳統(tǒng)計算機(jī)無法解決的復(fù)雜難題，也就是展現(xiàn)量子優(yōu)越性。而這是量子計算機(jī)距離實際運用的關(guān)鍵一步。其中，一個常被當(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 個量子比特左右，量子計算機(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，量子計算到來仍需時間

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

1982年，加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、諾貝爾獎獲得者Feynman指出，量子計算機(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，量子計算機(jī)第一次將使得量子計算變成了現(xiàn)實——整整10年之后，中國的科學(xué)家利用4個量子比特實現(xiàn)了分解143。

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

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

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

大規(guī)模量子計算所存在重要的問題是，如何長時間地保持足夠多的量子比特的量子相干性，同時又能夠在這個時間段之內(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，這個挑戰(zhàn)將變得越來越大。

量子計算難以被實現(xiàn)的第二個主要原因，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)典計算中也存在這個問題，但在經(jīng)典計算中處理它們只需保留每個計算位的兩個或多個副本，以便檢查。

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

第三個主要原因源于量子系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵性質(zhì)，如果不測量，疊加態(tài)就會一直維持下去。如果你做了一次測量，量子位的疊加態(tài)就會坍縮至一個確定的結(jié)果：1 或 0。所以，我們不知道一個量子位是到底代表的是1還是0。如果需要測量，就需要更多的量子位。

雖然困難重重，但可以確定的是，量子計算，將是下一輪科技革命的新起點。

量子計算結(jié)合了過去半個世紀(jì)以來兩個最大的技術(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)制邏輯來計算，某些難以攻克的計算任務(wù)將得到解決。

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