量子計(jì)算：信息社會(huì)的未來

近年來，量子科技，特別是量子計(jì)算的研究呈加速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。包括中國在內(nèi)的四十多個(gè)國家制定了量子規(guī)劃，量子科技前沿競爭在不斷升溫。 二十世紀(jì)初，以普朗克、愛因斯坦、玻爾為代表的一群科學(xué)先驅(qū)，共同努力，建立了量子力學(xué)這個(gè)人類迄今為止最基本、最深?yuàn)W的科學(xué)理論體系。這是一項(xiàng)劃時(shí)代的科學(xué)革命，奠定了現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)，也必將成為未來量子信息技術(shù)革命的科學(xué)源泉。

從二十世紀(jì)五十年代開始，以半導(dǎo)體、激光、磁存儲(chǔ)為代表的量子材料和量子效應(yīng)的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了當(dāng)代信息社會(huì)的發(fā)展，成就了造福人類的第一次量子技術(shù)革命。但這次技術(shù)革命還只是被動(dòng)認(rèn)識(shí)和利用量子現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)科學(xué)和技術(shù)的創(chuàng)新，對(duì)量子材料和量子效應(yīng)的操控依然是經(jīng)典的，沒有用到量子相干性這個(gè)量子最本質(zhì)的特性。

要展示量子的特性，釋放量子的潛力，就必須通過主動(dòng)操控量子態(tài)，在保持其相干性的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)的精確控制。一旦做到了這一點(diǎn)，我們將實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)的第二次革命，人類也將正式步入量子信息時(shí)代。

所謂量子計(jì)算，就是按照既定的算法和程序，對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控和測(cè)量的過程。量子態(tài)的演化過程，對(duì)應(yīng)的就是一個(gè)量子計(jì)算過程。量子計(jì)算是量子信息技術(shù)的核心。沒有量子計(jì)算，量子技術(shù)其他領(lǐng)域的發(fā)展，不足以動(dòng)搖現(xiàn)有信息技術(shù)的根基。

我們現(xiàn)在用的經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力，粗略講與半導(dǎo)體芯片的集成度(也就是單位面積上芯片可容納的晶體管或比特?cái)?shù))成正比。一般講，增加一倍的算力，大約需要增加一倍的集成度。在過去的幾十年，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的集成度，或計(jì)算能力，大約每18個(gè)月增加一倍，這就是著名的摩爾定律。

與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)的算力隨量子比特的數(shù)目不是線性增加，而是指數(shù)增加的。也就是說，每增加一個(gè)量子比特，量子計(jì)算機(jī)的算力就可增加一倍。這就是量子計(jì)算對(duì)信息處理的指數(shù)加速作用，是經(jīng)典計(jì)算機(jī)可望而不可及的神話。這種指數(shù)加速作用一旦在技術(shù)上得以實(shí)現(xiàn)，必將帶來信息處理的革命性變革。

但是，在目前階段，實(shí)驗(yàn)室能夠制備的量子比特的退相干時(shí)間不夠長，操控的精度也有限，還遠(yuǎn)未達(dá)到要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算指數(shù)加速的要求。

量子計(jì)算的想法，開始于解決物理和化學(xué)中出現(xiàn)的量子多體問題的需要，上世紀(jì)八十年代初由本尼奧夫、曼寧和費(fèi)曼三位科學(xué)家獨(dú)立提出。但是，量子計(jì)算不僅能解決量子科學(xué)研究中的問題，也能解決所有與信息處理相關(guān)的工程、技術(shù)及應(yīng)用問題。從人工智能、破譯密碼、生物制藥、化學(xué)合成、物流及交通控制、天氣預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)搜索、材料基因，到金融穩(wěn)定與安全，但凡需要數(shù)據(jù)處理與計(jì)算的地方，都是量子計(jì)算可以發(fā)揮作用的領(lǐng)域?？梢灶A(yù)期，隨著量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，量子信息技術(shù)的觸角將會(huì)深入到信息處理的每一個(gè)角落。

量子是微觀粒子，包括電子、原子、分子等，的基本運(yùn)動(dòng)形式。量子現(xiàn)象存在于比我們?nèi)搜勰芸吹降暮暧^世界至少小6個(gè)量級(jí)的微觀世界。主動(dòng)操控量子態(tài)之所以難，是因?yàn)槲覀儾倏匚⒂^量子態(tài)的手段是宏觀的。用宏觀手段操控微觀量子系統(tǒng)，還要保證其量子相干性，就像是讓一頭大象在細(xì)鋼絲上跳舞，既不能掉下去，還不能讓鋼絲斷掉。這是量子計(jì)算研究面臨的最大困難，也是當(dāng)前科學(xué)挑戰(zhàn)的最高級(jí)。

量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展有“四高”——高門檻、高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)，是一個(gè)國家的高層次人才隊(duì)伍、科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和實(shí)力的綜合檢驗(yàn)。當(dāng)前，量子計(jì)算技術(shù)研究還處于起步階段，發(fā)展路線和方式，甚至發(fā)展目標(biāo)，都存在不確定性，研發(fā)投入存在風(fēng)險(xiǎn)不可避免。但是，量子計(jì)算能給人類帶來的回報(bào)是巨大的：從原理上講，如果實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算的指數(shù)加速作用，一臺(tái)100個(gè)容錯(cuò)量子比特的量子計(jì)算機(jī)的算力，就可超越目前世界上所有計(jì)算機(jī)的算力之和。

從上世紀(jì)八十年代開始，量子計(jì)算經(jīng)過了基本物理思想和初級(jí)原理的驗(yàn)證，現(xiàn)在進(jìn)入了所謂的“中等規(guī)模帶噪聲的量子計(jì)算時(shí)代”?！爸械纫?guī)?！笔侵脯F(xiàn)在能比較可靠操控的量子比特?cái)?shù)大約在幾十到幾千的水平；“帶噪聲”指的是對(duì)量子比特的門操作有一定的誤差，量子態(tài)的讀取也存在一定錯(cuò)誤，還無法實(shí)現(xiàn)精確的量子計(jì)算。這是量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展必然要經(jīng)過的一個(gè)階段，也是量子計(jì)算各種路線探索和人才積累的關(guān)鍵階段。

在“中等規(guī)模帶噪聲的量子計(jì)算”時(shí)代，量子計(jì)算的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)開始，并已成為國際大企業(yè)大公司展示實(shí)力、布局未來的新戰(zhàn)場(chǎng)。造成這種激烈競爭局面的背后邏輯非常簡單：失去量子計(jì)算的控制權(quán)，就可能失去未來信息社會(huì)的話語權(quán)。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)化也為量子計(jì)算研究注入了新的活力，加速了量子計(jì)算的發(fā)展。

生態(tài)建設(shè)是量子計(jì)算軟硬件人才培養(yǎng)和大規(guī)模應(yīng)用的必要條件，量子云平臺(tái)的建設(shè)則是生態(tài)建設(shè)的一個(gè)重要手段，其水平反映了一個(gè)國家在制備和穩(wěn)定操控量子芯片、研發(fā)量子算法和軟件、實(shí)現(xiàn)高效量子計(jì)算的綜合實(shí)力。

量子計(jì)算未來的發(fā)展趨勢(shì)，主要在三個(gè)方面：一是規(guī)?；?dāng)前量子計(jì)算能比較可靠操控的量子比特?cái)?shù)大約在100個(gè)量子比特左右，今后將逐漸達(dá)到幾千、幾萬、幾十萬、幾百萬甚至更高的水平。二是容錯(cuò)化，量子計(jì)算需要很多量子比特，但更需要制備出相干時(shí)間可以任意長、錯(cuò)誤率小于糾錯(cuò)閾值的所謂容錯(cuò)的邏輯量子比特。三是集成化，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)大量量子比特及其測(cè)控系統(tǒng)集成和小型化，是降低量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)成本、實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的前提。

如果對(duì)未來做一個(gè)展望的話，樂觀地估計(jì)，十到二十年之后，高質(zhì)量制備和操控的量子比特?cái)?shù)將達(dá)到上萬個(gè)，在這個(gè)基礎(chǔ)上，通過對(duì)大量量子比特的不斷糾錯(cuò)，有望制備出一個(gè)能容錯(cuò)的邏輯量子比特；再過十到二十年，有希望實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)邏輯量子比特和普適邏輯門的相干操控，并且在這樣的基礎(chǔ)上，制造出普適的量子計(jì)算機(jī)。到那時(shí)，量子信息技術(shù)及應(yīng)用將進(jìn)入全面高速發(fā)展階段，也將成為人類征服自然的一個(gè)新的里程碑！

審核編輯 ：李倩