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量子计算机潜力巨大

来源:人民日报2020-07-22 14:03

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  说起颠覆性技术,量子计算机都是当下科技界的闪耀明星。

  30多年前,物理学家提出了利用量子构建计算系统的设想,此后科技界就没有停止过探索。量子计算机究竟有何能耐,如今走到了哪一步?记者采访了相关专家。

  “在量子计算机面前,传统的计算机就像‘算盘’”

  近段时间,量子计算机领域频频传来重要进展:美国霍尼韦尔公司表示研发出64量子体积的量子计算机,性能是上一代的两倍;我国本源量子计算公司与中科院量子信息重点实验室等研究团队合作,在国际上首次发现一种控制、读取量子比特的新思路,为扩展量子比特提供了可能性……

  何为量子计算机?简单地说,当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就属于量子计算机。

  人们对量子计算机充满期待,与传统计算机遭遇瓶颈不无关系。近年来,传统计算机性能增长越来越困难,探索全新物理原理的高性能计算技术应运而生。

  “量子计算机是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物,是后摩尔时代的标志性技术。”中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿说,在微观状态下,量子是一个不可再分割的基本单位。人们所熟知的电子、光子等微观粒子,都是量子的一种表现形态。

  传统计算机用0和1储存与处理数据,俗称经典比特。量子计算机的神奇之处在于,它的基本计算单元——量子比特可以同时是0和1,即允许“叠加态”共存,从而拥有更强大的并行能力。举个例子,假使在800万本书里找一个单词,经典计算机的方法是一本一本地搜索,提高速度要用多个处理器来协同求解。而量子的叠加性质,与二进制算法的运行逻辑不同,使得量子计算机可以分身为800万台计算机同时寻找。“在量子计算机面前,传统的计算机就像‘算盘’。”郭光灿表示。

  据本源量子计算公司副总裁张辉介绍,在需要大规模计算的领域,量子计算机可一展拳脚,如助力先进材料制造和新能源开发等。在药物研发方面,量子计算机通过精准模拟各种分子、原子的自然演进,可帮助科研人员快速找到对付病毒的药物;在公共交通领域,量子计算能够迅速对复杂的交通状况进行分析预判,从而调度综合交通系统,最大限度避免道路拥堵。

  量子计算应用走出实验室,得益于它的工程化推进。当前,不少国家都把量子计算当作未来技术制高点,国内外知名的企业纷纷涉足量子计算,全球量子计算创业公司超过百家。郭光灿表示,量子计算发展比想象的更快,许多停留在纸面上的想法逐渐变成了现实。

  “如果以经典计算机发展进程来衡量,现在量子计算机处于早期的‘电子管时代’”

  量子计算机虽然前景广阔,但落地应用仍是长路漫漫。郭光灿指出,做出量子计算机需要满足三个基本条件:量子芯片、量子编码和量子算法。它们分别是实现量子计算的物理系统、确保计算可靠性的处理系统和提高运算速度的关键。

  “做量子计算机,首先要足够多的量子比特。”腾讯量子实验室高级研究员郑亚锐解释说。什么是量子比特?理论上,自然界中一切有量子效应的载体都可用作量子比特。经过长期探索,科学家发现,超导、离子阱、光子、超冷原子、半导体量子点等,都存在量子效应,意味着能够用于开发量子计算机。而这些不同的体系,造就了量子计算机不同的技术实现路线。

  量子计算机走向实用,要控制多少个量子比特?郑亚锐说,一般认为要控制100万个量子比特。但眼下,工业界能控制的量子比特还不超过100个。

  在宏观环境下,如何保持微观环境下的量子特性,是量子计算机落地应用的另一个重要障碍。实现这一点,要求较长的相干时间(量子系统衰退的时间常数),以及非常高的保真度。“提高比特数量的同时,又不降低保真度,是学术界聚焦的难题。”郑亚锐说。

  “每一个体系都有优缺点,到底哪条路线能实现量子计算,大家心里也不清楚。”张辉说。具体地说,半导体量子点路线操控性方便,但相干时间很短;光学或者离子阱路线相干时间长,但可扩展性差。清华大学量子信息中心副教授金奇奂表示,近年来,学界对离子阱路线的基础研究很多,但工业界关注不够,工程、工艺上细致的工作刚刚起步。

  目前,多数开发者选择的是超导和半导体两条路线,两者的工程化、工艺化也快速推进。开发者希望,借助先进的半导体、集成电路工艺,在推进量子计算机研制的同时,为未来量子计算机与经典计算机的潜在融合做准备。

  从电子管到晶体管,再到集成电路,随着材料和工艺的迭代,经典计算机性能不断提升。“如果以经典计算机发展进程来衡量,现在量子计算机处于早期的‘电子管时代’。”张辉说,现在量子计算机还很“笨”,比智能手机、手提电脑的速度要慢得多。量子计算机也要经历一个发展过程。

  “量子计算技术是颠覆性技术,关系到未来发展的基础计算能力”

  张辉认为,真正衡量量子计算能力,是用它来解决问题时,与经典计算相比谁消耗的资源更少。

  “目前量子计算机还没有找到比较合适的应用场景。”金奇奂认为,真正意义的量子计算机,不能单单证明它能比经典计算机做得好,而是要做出更有价值的工作。如果只能处理某一个专门问题,量子计算机只是一个高效的“伐木工”,知道如何利用木头做家具,才是真正有用的量子计算机。

  科学家预测,未来10至15年,科学界有可能操纵100量子比特,从而真正实现“量子优势”。郭光灿说,经典信息技术时代,我国是跟踪者、模仿者,量子计算是我国成为未来信息技术引领者的机遇。“量子计算技术是颠覆性技术,关系到未来发展的基础计算能力。谁先把量子计算机搞出来,谁就占据了量子信息时代的制高点。”

  开发量子计算机门槛较高。成立2年来,本源量子计算公司仅在硬件上就投入数亿元。但科研人员表示,量子计算就像一个山洞,不知道里面有没有“宝藏”,但一定要有勇气冲进去,看看里面什么样。

  5年前,中国科学院与阿里巴巴集团建立联合实验室,共同在量子信息科学领域开展前瞻性研究,这是国内较早在量子计算上的布局。近些年,在量子计算领域,我国科研人员发表了不少有影响力的研究成果。在张辉看来,我国与国际上的“领头羊”的差距主要不在科研上,而在工程、工艺方面。量子计算机是一个整体,芯片之外,测控、软件、算法等同样应高度重视。“哪怕几根导线之间微弱的干扰,都会影响整体计算性能。”

  量子计算机与经典计算机不是对抗关系,不会全面替代经典计算机。“玩电脑游戏,我们永远用不着量子计算机。”张辉说,经典计算机发展至今,已经能处理日常中绝大部分任务,未来两者应该会相互融合。

  郭光灿认为,掌握量子计算机的关键核心技术急不得,需要下真功夫。只有经过深入细致钻研,经过技术沉淀,才有可能实现突破。尤其是要重视解决工程上的问题,才有可能抓住量子计算机的发展机遇。(记者 喻思南)

[ 责编:赵宇 ]
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