比最強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)還能算 量子計(jì)算掀起全世界研究熱潮

　　量子物理學(xué)聽起來玄而又玄。在微觀領(lǐng)域，粒子所呈現(xiàn)出的異于經(jīng)典理論的量子現(xiàn)象至今仍困擾著物理學(xué)家。與此同時，各個領(lǐng)域的科學(xué)家們也正在合作，嘗試著利用量子世界中的一些特點(diǎn)建造出能力遠(yuǎn)超電子計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。人類對于量子計(jì)算的研究起步較晚，想要取得任何進(jìn)展更是不易，需要在多個領(lǐng)域之間相互配合進(jìn)行系統(tǒng)工程研究，但量子計(jì)算目前所展現(xiàn)的潛力已經(jīng)使這個領(lǐng)域的研究成為人類科技發(fā)展的焦點(diǎn)之一。

　　為什么全世界都會研究量子計(jì)算?

　　電子計(jì)算機(jī)早已成為人們?nèi)粘Ｉ畹谋貍潆娖?。在各種各樣的功能之下，電子計(jì)算機(jī)是通過由半導(dǎo)體材料制成的各種邏輯器件作為最基礎(chǔ)的計(jì)算單元，現(xiàn)實(shí)世界中的一切信息都被轉(zhuǎn)換為電子計(jì)算機(jī)中的“0”和“1”兩種信號進(jìn)行存儲和運(yùn)算。但樹可以長高，卻終不能抵天，研究者們正在榨取半導(dǎo)體材料最后的潛力，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展正面臨各種瓶頸。

　　那么，人類是否可能制造出一種能力遠(yuǎn)超電子計(jì)算機(jī)的機(jī)器?科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在微觀世界中物質(zhì)的存在方式和運(yùn)動規(guī)律都與人們所熟悉的經(jīng)典世界完全不同，其中最奇特也最令人無法理解的，就是微觀粒子的“量子態(tài)”(superposition)，即一個微觀粒子可以同時存在于多個不同的位置或者同時具有“0”和“1”兩種狀態(tài)，另外微觀粒子之間可能還會形成“量子糾纏”(quantumentanglement)，兩個無論相隔多遠(yuǎn)的粒子的狀態(tài)都會隨時相互影響。

　　受到量子特性的啟發(fā)，1994年，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家彼得·秀爾(Peter Shor)提出了著名的“秀爾算法”(Shor’s algorithm)，解決了建造量子計(jì)算機(jī)的理論問題，從此引發(fā)了全世界量子計(jì)算的研究熱潮。

　　量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)黑盒

　　·量子計(jì)算的研究突破：秀爾算法的實(shí)現(xiàn)

　　相比于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，量子計(jì)算機(jī)的研究進(jìn)展并不算順利，原因就在于微觀粒子的量子態(tài)非常難以維持和測量。想要利用微觀粒子的量子態(tài)和相互糾纏現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)“量子比特”，可以同時具有“0”和“1”兩個數(shù)值，進(jìn)而制造出“量子邏輯門”，這非常不容易。因?yàn)椋芯空邆冃枰蚜孔佑?jì)算機(jī)的工作環(huán)境，始終維持在接近絕對零度的低溫狀態(tài)。

　　量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部

　　在2001年，IBM公司的一個研究小組首先通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了秀爾算法，各家公司和實(shí)驗(yàn)室緊隨其后，用各種方式實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的秀爾算法。

　　量子計(jì)算的研究的一切都需要由最底端從零開始，想要有所發(fā)展更是需要常年堅(jiān)持不懈的堅(jiān)持努力。一方面，人類對于量子計(jì)算機(jī)的前景寄予厚望——因?yàn)榭梢酝瑫r擁有多個狀態(tài)，在理論上，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨著量子位數(shù)量的提升將會呈指數(shù)形式上升，量子位數(shù)越高，計(jì)算能力越強(qiáng)，誤差也越小;另一方面，因?yàn)榱孔討B(tài)極難維持和探測，至今為止人類開發(fā)的大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)都還處于起步階段，與實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。

　　但有一點(diǎn)毋庸置疑，量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力一旦投入實(shí)際應(yīng)用，人類眾多的科研領(lǐng)域都有可能在短時間內(nèi)取得巨大的突破，同時還會刺激諸如納米加工技術(shù)和軟件系統(tǒng)等一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　不過，IBM公司進(jìn)行量子計(jì)算研究的科學(xué)家杰瑞·周(Jerry Chow)介紹，因?yàn)槠涑瑥?qiáng)的性能遠(yuǎn)超日常需求，并且需要維持在極低的溫度下進(jìn)行工作，量子計(jì)算機(jī)在未來或許不會像電子計(jì)算機(jī)一樣在大眾中間普及和流行，但用戶可以通過使用智能終端來使用量子計(jì)算機(jī)提供的云服務(wù)。

　　·應(yīng)用場景的突破：量子計(jì)算的巨大想象空間

　　目前，人工智能領(lǐng)域的發(fā)展還需要依賴電子計(jì)算機(jī)相對薄弱的計(jì)算能力，這使得一些人工智能系統(tǒng)——包括IBM Watson系統(tǒng)——都受到自身計(jì)算能力的限制，無法產(chǎn)生足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　在傳統(tǒng)的計(jì)算模式中，想要獲得問題的最優(yōu)解，計(jì)算機(jī)需要把所有的可能性都計(jì)算一遍，耗時問題顯而易見。量子計(jì)算則可以利用量子疊加態(tài)，一次性完成所有計(jì)算，并從中舉出最優(yōu)方案。

　　量子計(jì)算對當(dāng)前計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)了指數(shù)級的提升，量子位數(shù)越多，功能越強(qiáng)大。“RSA”是目前最有影響力的公鑰加密算法，它能夠抵抗到目前為止已知的絕大多數(shù)密碼攻擊。對于密級最高的1024位二進(jìn)制RSA密碼，用當(dāng)前最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)進(jìn)行破解，需要300萬年的時間，而使用1024量子比特的量子計(jì)算機(jī)，則需要幾天的時間就可以破解。

　　IBM量子計(jì)算科學(xué)家 Hanhee Paik(左)和 Sarah Sheldon(右)展示紐約約克敦 IBM T. J. Watson 研究中心內(nèi)一個打開的稀釋制冷機(jī)內(nèi)的硬件。

　　我們可以做這樣形象生動的聯(lián)想：如果要普通電子計(jì)算機(jī)完成大量級的計(jì)算，相當(dāng)于不斷增加一個方案解決小組的人數(shù)，而量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力則在一開始就如同一尊千手千眼佛。

　　在現(xiàn)實(shí)生活中，量子計(jì)算的這一優(yōu)點(diǎn)突出應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域——根據(jù)收集到的每個人的具體情況，由量子計(jì)算機(jī)支持的人工智能系統(tǒng)可以輕而易舉地提供個性化的健康狀況預(yù)測，以及相應(yīng)疾病的治療方案。相較于傳統(tǒng)的計(jì)算模式，量子計(jì)算不僅得出結(jié)論更快而且誤差更小。在糧食與食品安全領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)同樣被給予厚望，達(dá)到足夠量級的量子計(jì)算機(jī)甚至能夠計(jì)算出轉(zhuǎn)基因食品對人類的潛在影響，從而指導(dǎo)研究人員對轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和DNA結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

　　量子霸權(quán)：超越現(xiàn)存最高性能計(jì)算機(jī)能力的時代

　　目前國際上有眾多機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行量子計(jì)算的研究，各家機(jī)構(gòu)對于量子比特的控制能力有所不同，因此實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的途徑也有所區(qū)別。目前IBM公司所進(jìn)行的是通用量子計(jì)算機(jī)研究，對于量子比特的控制也最多和最穩(wěn)定，這使他們走在世界量子計(jì)算機(jī)研究的最前列。

　　IBM研究員薩莎·謝爾頓(SarahSheldon)和帕特·古曼(Pat Gumann)在操作量子稀釋制冷機(jī)。

　　在2017年3月，IBM公司建立了首個商用通用量子計(jì)算機(jī)平臺“IBM Q”，這標(biāo)志著人類對于量子計(jì)算機(jī)的研究達(dá)到了一個全新的實(shí)用階段。目前平均每一天都有數(shù)以千記的用戶通過IBM Q計(jì)算平臺，利用這款17量子位的處理器進(jìn)行超過30萬次的計(jì)算實(shí)驗(yàn)。相對于純粹的商業(yè)逐利，IBM公司更著眼于推動人類的科技進(jìn)步，把量子計(jì)算的的概念向整個人類社會進(jìn)行普及，使IBM Q平臺成為人類進(jìn)行量子計(jì)算研究的新起點(diǎn)。

　　2000年前，古代中國人發(fā)明了珠算。1642年，法國數(shù)學(xué)家帕斯卡采用與鐘表類似的齒輪傳動裝置，制成了最早的十進(jìn)制加法器。1946年，美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院制成的大型電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)(ENIAC)，后經(jīng)多次改進(jìn)而成為能進(jìn)行各種科學(xué)計(jì)算的通用計(jì)算機(jī)。這就是人們常常提到的世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)。

　　今天，數(shù)據(jù)正在成為社會的基礎(chǔ)資源，強(qiáng)大的運(yùn)算能力將實(shí)現(xiàn)人們更多的夢想。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并逐步走出實(shí)驗(yàn)室，服務(wù)于現(xiàn)實(shí)生活，醫(yī)療健康、食品安全、材料科學(xué)、金融、保險(xiǎn)，甚至?xí)r尚創(chuàng)意等行業(yè)都是未來量子計(jì)算機(jī)著力發(fā)展的方向。包括IBM在內(nèi)的多家量子計(jì)算領(lǐng)域投入研發(fā)的公司，都宣稱未來還將逐漸增加計(jì)算芯片的量子位數(shù)，根據(jù)目前科學(xué)家的測算，50個量子位的處理器，其計(jì)算能力將超越現(xiàn)在地球上最強(qiáng)勁的超級計(jì)算機(jī)，這必將再一次深刻改變?nèi)祟惿鐣陌l(fā)展。