量子計算會迎來科技革命嗎

“遇事不決，量子力學。”

是近年來科學界有趣的流行語。似乎量子學可以“解決”當下所有無法解釋的問題。這句話或許是調侃，但不可否認的是，量子學確確實實是人類突破當前科技瓶頸的重要方向之一。

提到量子學以及量子計算，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“相當數(shù)量的某物質”。它最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出。

量子學則是研究微觀粒子運動規(guī)律的學科，是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論。

而量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調控量子信息單元進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)計算機的算力已接近頂峰。算力停滯不前，導致需要高算力應用的行業(yè)停滯不前，這必然會成為科技進步的重大阻礙，而量子計算帶來的超大算力則成為新的曙光。

量子計算機的工作方式與傳統(tǒng)計算機有著根本上的不同。超級計算機和量子計算機的關鍵區(qū)別在于它們存儲信息的方式，超級計算機和任何傳統(tǒng)計算機一樣，是二進制位的，處理的是1和0的問題。

傳統(tǒng)計算機每比特非0即1，而在量子計算機中，量子比特可以處于既是0又是1的量子疊加態(tài)，這使得量子計算機具備傳統(tǒng)計算機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，當量子比特“不可避免地”連結在一起時，物理學家可以利用它們波狀量子態(tài)之間的干擾來進行計算。不通過這種方式，相關計算可能要花費數(shù)百萬年的時間。例如，一臺 10 量子位量子計算機可以一次處理 210 或 1024 個可能的輸入。

量子計算機的處理能力理論上是無限的。量子計算能讓眾多產業(yè)的構想成為現(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行量子計算的研究，以期望自己能率先實現(xiàn)“量子霸權（quantum supremacy）”。

2012年，美國加州理工學院理論物理學家John Preskill提出了“量子霸權”這一概念，指量子計算機可以做到經(jīng)典計算機實現(xiàn)不了的事。

此后，“量子霸權”長期被用于描述量子計算機發(fā)展的關鍵節(jié)點，指量子計算機能解決傳統(tǒng)計算機無法解決的復雜難題，也就是展現(xiàn)量子優(yōu)越性。而這是量子計算機距離實際運用的關鍵一步。其中，一個常被當作量子霸權的重要指標是量子比特 （Qubit） 數(shù)量，有學者認為，大概 50 個量子比特左右，量子計算機就能達到“量子霸權”。

19年10月，谷歌宣布自己完成“量子霸權”，不過隨后被IBM否認。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還有多遠。

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70年代，針對計算機的熱耗效應，阿崗國家實驗室的Benoiff認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的概念。Benoiff最先提出了一個基于量子力學的可逆計算機模型。

1982年，加州理工學院物理學教授、諾貝爾獎獲得者Feynman指出，量子計算機可以用來模擬量子多體系統(tǒng)的演化，而這一任務是經(jīng)典計算機做不到的。1985年，牛津大學教授Deutsch建立了量子圖靈機的模型。

1995年，物理學家第一次提出了量子比特信息學上的概念，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質數(shù)分解為3×5，量子計算機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，量子計算變的可應用，在應用方面，2011年D-Wave推出了運行128位的一體量子計算機D-WaveOne，這被認為是世界上第一臺商用化的量子計算機系統(tǒng)。2012年，D-Wave推出了512位量子計算機D-WaveTwo。2015年，D-Wave發(fā)布了基于chimeragraph架構的新一代1152位量子計算機系統(tǒng)D-Wave2X。

雖然量子計算將有可能使計算機的計算能力大大超過今天的計算機，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)的另一個關鍵性質，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。

量子計算結合了過去半個世紀以來兩個最大的技術變革：信息技術和量子力學。如果我們使用量子力學的規(guī)則替換二進制邏輯來計算，某些難以攻克的計算任務將得到解決。

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

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