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量子計算機:超越經典一小步 量子計算一大步

量子計算機:超越經典一小步 量子計算一大步

量子計算機研究實驗裝置的局部。陸朝陽供圖

在位於上海浦東新區的科學技術大學上海研究院實驗大樓內,一個不足3平方米的工作台上,上百個元器件看似毫無規則地自由生長著: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,形態各樣,周邊框梁布滿了光纖。很難想象,這就是剛剛問世的光量子計算機的主體,一個甫一面世就成了科技界乃至世界科技界的閃耀明星。

5月3日,這台計算機的研製方——科學院量子信息與量子科技創新研究院在這裡宣布,科學技術大學潘建偉院士及同事陸朝陽、朱曉波等,聯合浙江大學王浩華研究組,構建了這台基於單光子的量子計算機,這是世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機。

一時間評價紛至沓來:「科學家再次站在了創新的前沿」「量子計算機,開啟新的速度」「量子計算將徹底改變人類未來的應用前景」……就連這次成果的焦點人物潘建偉在接受記者採訪時也提到,「量子計算研究就像雨後春筍,到了爆髮式發展的關鍵時刻。」那麼這台「造」的量子計算機究竟能有何能耐,又將為我們帶來什麼?青年報·中青在線記者採訪了相關專家。

腳踏車與飛機

人們之所以對量子計算機充滿期待,和傳統計算機遭遇的種種問題不無關係:近年來,傳統計算機逐漸遭遇功耗瓶頸、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的需求應運而生。

量子計算機就是科學家嘗試打開未來無限可能性的一把鑰匙。從理論上來看,量子計算機可以很輕鬆地「秒殺」傳統經典計算機:曾有人打過一個比方,如果現在傳統計算機的速度是腳踏車,量子計算機的速度就好比飛機。

而「秒殺」的奧妙就在於「量子」二字。

所謂量子,是指構成物質的最基本單元,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形態。

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」。 這是量子世界與經典世界的根本區別——著名的「薛定諤貓」形象地描述了這個佯謬。在經典世界里,貓要不然是活的,要不然是死的,然而一隻量子的貓卻可以處在「死」和「活」的疊加狀態上。

有了這種疊加的「天性」,量子計算也就具備了并行的能力,即可以實現同步計算。按照科學家的說法,經典計算機在二進位演算法中只能「非此即彼」:要麼是0,要麼是1。但量子計算機卻擁有了「同時存在」的能力。

打個形象的比方,目前我們常用的經典計算機,在提取某個需要解決的問題時,需要把所有可能性列舉並驗證一遍,才能「找到」正確的信息,這相當於一個擁有雙手的人,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並提取出相應信息,相當於一個擁有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。

後者速度有多快,就取決於N的指數級增加。

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

在古老的印度,國王準備獎賞國際象棋發明人,便問他想要什麼。這位發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,以後每一小格都比前一小格加一倍,如此類推當把棋盤上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,當人們把一袋一袋的麥子搬來開始計數時,國王才發現:就是把全印度的麥粒都拿來,也滿足不了那位宰相的要求——如果一秒鐘數兩粒,要花費上億年才能數完。

潘建偉說,同樣的道理,隨著N不斷地變大,量子計算機的計算能力也將呈現指數級的增長,一些經典計算機無法解決的大規模計算難題將「迎刃而解」。他以大數因數分解為例,經典計算機分解300位的大數需要15萬年,萬億次量子計算機分解這個大數,則僅需要1秒鐘。

理想與現實

按照潘建偉的描述,量子計算機也有望在人類社會的大規模計算難題上大展拳腳——

在公共安全領域,量子計算可以瞬間處理監控資料庫中60億人次的臉部圖片,並實時辨別出一個人的身份;在公共交通領域,量子計算能夠迅速對複雜的交通狀況進行分析預判,從而調度綜合交通系統,最大限度避免道路擁堵,等等。

不過,這些目前都還只是科學家的「理想」前景,現實中的量子計算機還遠沒有達到這個應用水平。

即便是光量子計算機,也只是打敗了早期的電子計算機的速度,比人類歷史上第一台電子管計算機和第一台晶體管計算機運行速度快10倍至100倍,但相比於眼下的智能手機,以及手提電腦,「速度上要慢得多」。

上世紀80年代初,美國物理學家費曼提出量子計算機的概念,但經過30多年的努力,世界上最好的量子計算機也很難完成一些「看似小兒科」的現實數學問題,以至於對此持懷疑態度的人給出這樣的說法:量子計算雖是革命性技術,但似乎總是遙不可及。

如今,事情似乎有所轉機。今年年初,《自然》雜誌在一篇以《2017年將是量子計算機從實驗室走進現實》為題的文章中說,量子計算長期以來都被認為是20年以後才會實現的技術。但是,2017年可能是這領域改變其「僅限於研究」印象的一年。

這種改變在5月3日的上海得到了印證,世界上第一台超越早期經典計算機的量子計算機在這裡問世。

潘建偉說,科學界有一種說法,就計算能力而言,量子計算研究有「三步走」。第一步是超越首台電子計算機的計算能力,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的計算能力。

如今,潘建偉團隊走完了第一步。他說,「目前我們實現的只是其中的第一步,但這一小步卻是重要的一步。」

《自然·光子學》審稿人在評價這項成果時表示:「科學家研製出的這台量子計算機,可以說是量子計算領域的埃尼亞克(ENIAC)」,後者是世界上第一台電子管計算機,開闢了經典演算法計算機的時代。

這台量子計算機的「里程碑」意義可見一斑。

追趕與超越

事實上,世界各地的實驗室推出實現量子計算的方案不少,但實現的難點在於對微觀量子態的「操縱」。目前,潘建偉團隊在3個很有希望的方向努力推進:光子量子計算、超冷原子量子計算和超導量子計算。

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

科學技術大學教授陸朝陽告訴記者,該團隊接下來的目標是,在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱,並致力於20個超導量子比特樣品的設計、製備和測試。

那時,量子計算機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,希望能夠達到50個左右量子比特的操縱,屆時有可能實現「第三步」的突破,即超越超級計算機。

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

「這是被稱為『量子稱霸』的任務,科學家最初設計這個問題的動機就是為了顯示量子計算機的能力,跟經典的計算機競賽,看看誰跑得快。」陸朝陽說。

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

再進一步預測,潘建偉說,如果將來能夠做到1000個量子以上,科學家也許就可以研究意識是怎麼產生的,或許能催生強大到無法想象的人工智慧。

不過那時,普通民眾很可能還是用不上量子計算機。潘建偉說,以現有的手機終端為例,可以通過雲計算平台,把需要完成的計算任務送到雲端,讓後台的量子計算機來完成。

他也承認,正如古代發明算盤的人不會想到今天的計算機一樣,他也難以準確地預測未來量子計算機的巨大能量,一切只能拭目以待。

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