新華社北京1月22日電特稿:量子計算,一場接近“突破點”的競逐

新華社記者楊駿 黃堃

5量子比特、10量子比特、50量子比特,一場你追我趕、爭相領先的激烈競逐近年來正在量子計算領域上演。

傳統計算機要100年才能破解的難題,量子計算機可能僅需1秒,如此“洪荒之力”、酷炫前景各國豈能袖手旁觀?

去年底,美國IBM公司宣布推出全球首款50量子比特的量子計算原型機,量子計算領域的競爭進入關鍵階段。

聰者聽于無聲,明者見于未形

當魔幻般的理論在現實中推動進步,各國的科研實力體現無疑。

在IBM公司宣布成果的半年前,中國科學家已發布世界首臺超越早期傳統計算機的光量子計算機,實現10個超導量子比特糾纏,在操縱質量上也是全球領先。

從個位數到幾十量子比特的進展,各國你追我趕,這到底是為什么?

從1970年到2005年,正如摩爾定律預測的一樣,每18個月集成電路上可容納的元器件數目約增加一倍,計算機的性能也相應提升近一倍。但2005年后這種趨勢就開始放緩,極其微小的集成電路面臨散熱等問題考驗。

如果按這個趨勢繼續發展,當集成電路的尺寸接近原子級別的時候,電子的運動也不再遵守經典物理學規律,這個時候量子力學將起到主導作用。

上世紀80年代,科學家就已預言問題所在,并提出量子計算才是方向。這也不約而同成為各主要國家關注的焦點。

傳統計算機的基本數據單位是比特,而量子計算機以量子比特衡量。有觀點認為,如果量子計算機能有效操縱50個左右量子比特,能力即超過傳統計算機,實現了相對傳統計算機的“霸權”。這種“量子霸權”正是各科研機構競相追逐的目標。

近來,科技巨頭紛紛宣布重要進展。除IBM的50量子比特計算機原型,英特爾也在1月份宣布研制49量子比特的測試芯片。但這些企業沒有發布詳細性能報告,用詞離不了“原型”和“測試”,更沒有宣稱已經實現“量子霸權”。

這是因為量子比特光有“數量”不夠,還得有“質量”,即通過糾纏等方式操縱量子比特互相關聯,才能有效利用它們進行量子計算。中國科學技術大學潘建偉團隊去年5月實現的10個超導量子比特糾纏,就是有“質量”的量子比特,但離“量子霸權”還有相當距離。

“很顯然,建造量子計算機現在是一個世界范圍內的競賽。”美國得克薩斯大學奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿倫森說。他認為,未來一年左右將可能有人贏得“量子霸權”競賽。

長風破浪會有時,直掛云帆濟滄海

人類已進入一個能看到量子計算機將要“出生”的時間段。中國科學院院士、量子計算專家、圖靈獎獲得者姚期智說,這是“最后一公里”,但也是一個非常艱難的過程。

業內專家指出,量子計算需要克服環境噪聲、比特錯誤和實現可容錯的普適量子糾錯等一系列難題,真正量子計算機研發挑戰巨大。

那么量子計算到底魅力何在,讓全球都不愿錯失良機?

起源于1900年普朗克所提理論的量子力學,描述了看似魔法的物理現象。在微觀尺度上,一個量子比特可以同時處于多個狀態,而不像傳統計算機中的比特只能處于0和1中的一種狀態。

這樣的一些特性,讓量子計算機的計算能力能遠超傳統計算機。美國谷歌公司等機構在2015年宣布,它們的“D波”(D-Wave)量子模擬機對某些問題的求解速度已達到傳統計算機的1億倍。雖然它并不被認為是真正的量子計算機,但量子計算的巨大潛力已經顯露。

為加速進入量子計算機陣營,各國政府紛紛加大投入。歐盟在2016年宣布投入10億歐元支持量子計算研究,美國僅政府的投資即達每年3.5億美元。中國也在大力投入,目前正在籌建量子信息國家實驗室,一期總投資約70億元。

如果“量子霸權”實現,人類計算能力將迎來飛躍,接下來就會是在多個領域的推廣。一些行業巨頭已經盯上了量子計算未來應用:阿里巴巴建立了量子計算實驗室;中科院與阿里云合作發布量子計算云平臺;IBM也在去年宣布計劃建立業界首個商用通用量子計算平臺IBM Q,還與摩根大通等公司合作計劃在2021年前推出首個在金融領域的量子計算應用。

更不用說在軍事、安全等敏感領域,量子計算一旦成熟,就可以攻破需要大量計算的傳統難題,比如密碼破解等。

“我相信量子技術在21世紀的重要性可與上個世紀的曼哈頓計劃相比。”著名量子科學家潘建偉院士說。也就是說,量子技術可能像曼哈頓計劃造出原子彈那樣改變世界格局。

潘建偉等中國科研人員正在不斷取得成果,在光與冷原子系統、超導系統等多種量子計算技術路線上同時發展,希望在未來10年,實現上百量子比特的糾纏。

潘建偉曾用“筍”來比喻中國量子計算領域的發展。因為筍尖剛長出來時進展較為緩慢,一旦長起來便越來越快。他說中國的量子計算就如“春筍”,“我們的爆發式增長也已到了‘相變點’”。