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量子計(jì)算：在一些特定領(lǐng)域上相對經(jīng)典計(jì)算有優(yōu)勢

早在上世紀(jì)80年代，就有科學(xué)家提出了將量子效應(yīng)引入信息處理的構(gòu)想，量子計(jì)算的概念開始出現(xiàn)在世人眼中。經(jīng)過近四十年的理論和技術(shù)發(fā)展后，量子計(jì)算正逐漸從模糊的構(gòu)想化為現(xiàn)實(shí)。

量子效應(yīng)與日常世界存在很大差異。在經(jīng)典計(jì)算中，信息由“比特”表示，具有“0”和“1”兩種狀態(tài)，通過“門”來操作比特、執(zhí)行計(jì)算。但量子計(jì)算機(jī)中用到的“量子比特”則與經(jīng)典比特完全不同。

量子計(jì)算利用量子力學(xué)基本特性計(jì)算，是一種完全不同于經(jīng)典計(jì)算的計(jì)算模式。量子比特不僅可表示“0”或“1”兩個(gè)狀態(tài)，同時(shí)還能表示兩個(gè)值任意權(quán)重的疊加。這意味著1個(gè)量子比特對應(yīng)一個(gè)2維空間，N個(gè)量子比特對應(yīng)的則是2的N次方維空間。

這些特點(diǎn)使得量子計(jì)算機(jī)具備了極強(qiáng)的并行計(jì)算能力，這種強(qiáng)大的運(yùn)算能力也讓量子計(jì)算機(jī)有可能完成部分經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的任務(wù)。

國盾量子高級工程師楊威風(fēng)博士就向觀察者網(wǎng)表示，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力是一個(gè)指數(shù)級的加速，將來它的計(jì)算能力相對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)有質(zhì)的提升。

國盾量子專家楊威風(fēng)博士

另一位業(yè)內(nèi)專家也告訴觀察者網(wǎng)，由于量子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力隨著規(guī)模指數(shù)增長，在量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算的這場競賽中，量子計(jì)算可以輕松保持優(yōu)勢。量子計(jì)算利用量子力學(xué)的基本特性進(jìn)行計(jì)算，是一種完全不同于經(jīng)典計(jì)算的計(jì)算模式。

“祖沖之二號”、谷歌“懸鈴木”和超級計(jì)算機(jī)“富岳”完成隨機(jī)線路采樣問題時(shí)間對比 圖自中科院量子計(jì)算云平臺

不過專家同時(shí)指出，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力以及算法在不斷發(fā)展，量子優(yōu)越性演示不是一蹴而就的事，而是一個(gè)過程?！傲孔佑?jì)算解決一個(gè)具體問題還需要有相應(yīng)的量子算法，目前只在一些特定領(lǐng)域的問題上有高效的量子算法。因此量子計(jì)算只在一些特定領(lǐng)域的問題上相對經(jīng)典計(jì)算有優(yōu)勢，并不能替代經(jīng)典計(jì)算機(jī)?！?

他表示，量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢在于可通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面，獲得比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的算力。大規(guī)模通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)可以在化學(xué)反應(yīng)計(jì)算、材料設(shè)計(jì)、藥物合成、密碼破譯、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)、軍事氣象等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。

“研制容錯(cuò)的通用量子計(jì)算，因其苛刻的容錯(cuò)閾值和大尺度的量子比特?cái)?shù)目，離目前人類的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。在容錯(cuò)的通用量子計(jì)算研制出之前，帶噪聲的中等規(guī)模量子計(jì)算機(jī)也有望在特定領(lǐng)域找到有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用，預(yù)期應(yīng)用包括量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)、量子近似優(yōu)化等。”

對于量子計(jì)算機(jī)的研究，本領(lǐng)域的國際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

一是發(fā)展具備50到100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中的“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑；二是研制可相干操作數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決一些超級計(jì)算機(jī)無法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問題；三是研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

如今，我國剛剛實(shí)現(xiàn)了在光量子計(jì)算和超導(dǎo)量子計(jì)算兩個(gè)物理體系中達(dá)成第一個(gè)里程碑。

在其他技術(shù)路線方面，中國同樣也沒有放慢研究的步伐。楊威風(fēng)表示，我國的光量子和超導(dǎo)量子計(jì)算現(xiàn)在都處于世界領(lǐng)先水平，而諸如離子阱、硅自旋等技術(shù)路線的研究同樣在進(jìn)行中。

業(yè)內(nèi)專家也向觀察者網(wǎng)透露，在超冷原子體系上，我國目前整體與歐美發(fā)達(dá)國家處于并跑狀態(tài)，在規(guī)模化原子糾纏的制備與操縱，對自旋軌道耦合、超冷分子反應(yīng)等的量子模擬方面取得了系列重要成果，為解決若干經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以勝任的復(fù)雜問題奠定了基礎(chǔ)。

“沒想到他們竟然會在一周里同時(shí)公布兩個(gè)量子計(jì)算結(jié)果”

其實(shí)早在今年6月，“祖沖之二號”和“九章二號”的論文就已在預(yù)印本平臺arXiv提前公開，這一系列成果也很快引起國際學(xué)術(shù)界、媒體和公眾的廣泛關(guān)注。有國際同行大贊潘建偉團(tuán)隊(duì)取得了令人印象深刻的進(jìn)步。

美國知名科普雜志《科學(xué)美國人》7月就以“新的研究表明，中國在全球量子競賽中取得領(lǐng)先”為題發(fā)文稱，在2017年中國科學(xué)家從“墨子”號衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子、進(jìn)行首次量子安全視頻通話時(shí)，中國已在量子通信方面取得領(lǐng)先，而新的成果表示這種優(yōu)勢已經(jīng)擴(kuò)大到量子計(jì)算領(lǐng)域。

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校知名量子計(jì)算機(jī)科學(xué)家、高斯玻色采樣的共同提出者斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）也告訴該雜志，這是一個(gè)令人興奮的成果，“我沒想到他們竟然會在一周里同時(shí)公布兩個(gè)量子計(jì)算結(jié)果?！?

美國在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展也極為迅速。2016年，美國IBM公司就率先推出一臺5量子比特的量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，美國谷歌公司又宣布成功研制53個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”（Sycamore），并完成了量子隨機(jī)線路采樣的快速解決，首次實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的里程碑。

潘建偉團(tuán)隊(duì)取得的最新成就也隨之引出了一個(gè)問題，“中國在量子信息技術(shù)上領(lǐng)先美國了嗎？”