量子十問(wèn)之六：量子計(jì)算，這可是一個(gè)顛覆性的新技術(shù)

量子計(jì)算機(jī)是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息、運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)在或許還無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)“量子計(jì)算機(jī)時(shí)代”何時(shí)到來(lái)，但在科學(xué)家看來(lái)，已經(jīng)沒(méi)有什么原理性的困難可以阻擋這種革命性、顛覆性產(chǎn)品的誕生。

　　量子計(jì)算機(jī)研制

　　以半導(dǎo)體芯片為核心的計(jì)算機(jī)的發(fā)明成就了現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)（硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、通信等）的高速發(fā)展，深刻改變了人類(lèi)的社會(huì)活動(dòng)形式，甚至是國(guó)防安全和國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力。半導(dǎo)體集成電路芯片幾十年以來(lái)一直沿著“摩爾定律”發(fā)展，單位芯片上晶體管數(shù)目越來(lái)越多，集成度越來(lái)越高。

　　截止到目前，集成電路芯片制造工藝處于14&10nm技術(shù)代量產(chǎn)階段，更小尺寸的技術(shù)代（7nm和5nm）處于研發(fā)階段。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)將達(dá)到控制電子的物理極限，當(dāng)單個(gè)晶體管縮小到只能容納一個(gè)或幾個(gè)電子時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)單電子晶體管（量子點(diǎn)），量子隧穿效應(yīng)將不可避免的影響電子元器件的正常工作。盡管科研人員正在努力通過(guò)各種手段進(jìn)一步延續(xù)晶體管的制程尺寸并同時(shí)開(kāi)發(fā)多核芯片技術(shù)，但相關(guān)技術(shù)只能在有限范圍內(nèi)優(yōu)化傳統(tǒng)芯片性能，無(wú)法阻止“摩爾定律”必將被打破的歷史趨勢(shì)。

　　集成電路芯片

　　當(dāng)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片在經(jīng)典物理領(lǐng)域內(nèi)無(wú)法進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)性能時(shí)，可以研究探索有別于當(dāng)前計(jì)算機(jī)架構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)和多核芯片，或者研究量子力學(xué)規(guī)律開(kāi)發(fā)量子計(jì)算。新型結(jié)構(gòu)需要拋棄當(dāng)前計(jì)算機(jī)所遵循的馮·諾依曼架構(gòu)，而量子計(jì)算則需要改變現(xiàn)有半導(dǎo)體芯片的基本結(jié)構(gòu)，利用量子疊加和量子糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖認(rèn)為多核芯片等技術(shù)只能短期延續(xù)摩爾定律，中長(zhǎng)期必然要發(fā)展以量子物理為基礎(chǔ)的量子計(jì)算等顛覆性、革命性新型器件來(lái)超越摩爾定律，信息的量子化趨勢(shì)將不可避免。量子計(jì)算是芯片尺寸突破經(jīng)典物理極限的必然產(chǎn)物，是后摩爾時(shí)代具有標(biāo)志性的技術(shù)。

　　對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)而言，通過(guò)控制晶體管電壓的高低電平，從而決定一個(gè)數(shù)據(jù)到底是“1”還是“0”，采用“1”或“0”的二進(jìn)制數(shù)據(jù)模式，俗稱(chēng)經(jīng)典比特，其在工作時(shí)將所有數(shù)據(jù)排列為一個(gè)比特序列，對(duì)其進(jìn)行串行處理。而量子計(jì)算機(jī)使用的是量子比特，量子計(jì)算機(jī)能秒殺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)得益于兩個(gè)獨(dú)特的量子效應(yīng)：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能夠讓一個(gè)量子比特同時(shí)具備0和1的兩種狀態(tài)，量子糾纏能讓一個(gè)量子比特與空間上獨(dú)立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng)造出一種超級(jí)疊加，實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算，其計(jì)算能力可隨著量子比特位數(shù)的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。理論上，擁有50個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)性能就能超過(guò)目前世界上最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”，擁有300個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)就能支持比宇宙中原子數(shù)量更多的并行計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)⒛承┙?jīng)典計(jì)算機(jī)需要數(shù)萬(wàn)年來(lái)處理的復(fù)雜問(wèn)題的運(yùn)行時(shí)間縮短至幾秒鐘。這一特性讓量子計(jì)算機(jī)擁有超強(qiáng)的計(jì)算能力，為密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供了解決方案，并可揭示高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機(jī)制，為先進(jìn)材料制造和新能源開(kāi)發(fā)等奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

　　量子計(jì)算機(jī)工作原理

　　此外，量子計(jì)算的信息處理過(guò)程是幺正變換，幺正變換的可逆性使得量子信息處理過(guò)程中的能耗較低，能夠從原理上解決現(xiàn)代信息處理的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)--高能耗的問(wèn)題。因此，量子計(jì)算技術(shù)是后摩爾時(shí)代的必然產(chǎn)物。

　　量子計(jì)算技術(shù)不僅能克服現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝因?yàn)槌叽鐪p小而引起的熱耗效應(yīng)，還能利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的并行計(jì)算，極大地提高計(jì)算速度和信息處理能力。規(guī)模化通用量子計(jì)算機(jī)的誕生將極大地滿足現(xiàn)代信息的需求，在海量信息處理、重大科學(xué)問(wèn)題研究等方面產(chǎn)生巨大影響，甚至對(duì)國(guó)家的國(guó)際地位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步、國(guó)防軍事和信息安全等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵性作用。

　?。ㄒ唬﹪?guó)家影響力

　　信息是當(dāng)今世界最為重要的戰(zhàn)略資源，計(jì)算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心，信息處理能力是信息時(shí)代的基本生產(chǎn)力，是國(guó)家的核心競(jìng)爭(zhēng)力，體現(xiàn)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。二戰(zhàn)結(jié)束以來(lái)，美國(guó)一直占據(jù)超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)的尖端，最初主要用于計(jì)算導(dǎo)彈彈道以及核武器模擬計(jì)算等軍事活動(dòng)當(dāng)中，后來(lái)逐步應(yīng)用到科研、產(chǎn)品研發(fā)、金融等各個(gè)領(lǐng)域。隨后，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在美國(guó)迅速發(fā)展壯大，并在世界范圍內(nèi)擴(kuò)展和加速全球化進(jìn)程，美國(guó)在此過(guò)程中積累了其強(qiáng)大的國(guó)際影響力。量子計(jì)算科技革命給了我國(guó)一個(gè)從經(jīng)典信息技術(shù)時(shí)代的跟蹤者、模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥?lái)信息技術(shù)的引領(lǐng)者的、不可錯(cuò)過(guò)的偉大機(jī)遇。量子計(jì)算技術(shù)是一種顛覆性技術(shù)，關(guān)系到一個(gè)國(guó)家未來(lái)發(fā)展的基礎(chǔ)計(jì)算能力，一旦形成突破，會(huì)使掌握這種能力的國(guó)家迅速建立起全方位戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)量子信息時(shí)代的國(guó)際發(fā)展。

　?。ǘ┙?jīng)濟(jì)影響力

　　量子計(jì)算機(jī)能克服現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展所遇到的能耗和量子效應(yīng)問(wèn)題，從而擺脫半導(dǎo)體行業(yè)面臨的摩爾定律失效的困境，同時(shí)突破經(jīng)典極限，利用量子加速、并行特性解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的相關(guān)問(wèn)題。作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的顛覆者，未來(lái)量子計(jì)算機(jī)會(huì)像經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣形成龐大的技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中產(chǎn)生重大影響。其突破必將為信息和材料等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟?gòu)V闊的空間，成為后摩爾時(shí)代和后化石能源時(shí)代人類(lèi)生活的技術(shù)依托。量子計(jì)算機(jī)的研制必將帶動(dòng)包括材料，信息，技術(shù)，能源等一大批產(chǎn)業(yè)的飛躍式發(fā)展。量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的并行計(jì)算和模擬能力，將為密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供了解決方案，從而為提高國(guó)家整體經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力創(chuàng)造條件。

　　（三）科技影響力

　　過(guò)去50年以來(lái)，半導(dǎo)體及信息行業(yè)的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷過(guò)數(shù)次突破，從處理器的運(yùn)算速度到存儲(chǔ)器容量，再到網(wǎng)絡(luò)帶寬，每一次突破之后都能帶來(lái)巨大的社會(huì)進(jìn)步。目前，海量數(shù)據(jù)處理已成為急需攻克的壁壘。當(dāng)前計(jì)算機(jī)處理海量數(shù)據(jù)的能力非常薄弱，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足信息量爆炸式增長(zhǎng)的需求，迫切需要從原理上突破超大信息容量和超快運(yùn)算速度的瓶頸，而量子計(jì)算機(jī)正好能有效滿足這一需求。量子計(jì)算機(jī)在科學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。學(xué)術(shù)界認(rèn)為，在量子計(jì)算機(jī)達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的比特?cái)?shù)之前，將首先用于對(duì)量子體系的模擬。量子計(jì)算機(jī)利用其特殊的量子力學(xué)原理，將為強(qiáng)關(guān)聯(lián)等物理學(xué)提供完美的檢驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)量子計(jì)算對(duì)于生物制藥、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并對(duì)提高國(guó)家科技影響力起到積極作用。

　?。ㄋ模┸娛掠绊懥?/p>

　　量子物理與計(jì)算科學(xué)第一次大規(guī)模結(jié)合的直接原因就是研制核心武器的需求。在計(jì)算技術(shù)的發(fā)展歷程中，軍事應(yīng)用價(jià)值始終是其重要推動(dòng)力之一。量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能應(yīng)用到國(guó)防建設(shè)時(shí)，其強(qiáng)大的運(yùn)算、搜索、處理能力，將為未來(lái)武器研發(fā)提供計(jì)算、模擬平臺(tái)，縮短研發(fā)周期，提高武器研發(fā)效率。還將在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上破譯加密密文，為及時(shí)高效準(zhǔn)確的情報(bào)和戰(zhàn)況分析提供技術(shù)支撐，提升作戰(zhàn)能力，同時(shí)在戰(zhàn)場(chǎng)計(jì)劃、組織決策、后勤保障等方面發(fā)揮巨大作用，甚至有可能改變未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的形態(tài)，掌握其核心技術(shù)能夠極大地增強(qiáng)國(guó)防綜合實(shí)力。

　　（五）國(guó)家信息安全

　　量子計(jì)算機(jī)最受關(guān)注的重要應(yīng)用之一是破譯現(xiàn)代密碼體系。理論研究表明，目前使用的RSA公開(kāi)密鑰體系在量子計(jì)算機(jī)面前將不堪一擊。構(gòu)建于基于經(jīng)典保密系統(tǒng)之上的安全體系將變得無(wú)秘可言。此外，量子計(jì)算對(duì)于信息安全的威脅還具有前溯性，如果現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)流量遭到竊聽(tīng)并被存儲(chǔ)下來(lái)，未來(lái)潛在的對(duì)手利用量子計(jì)算能力，就能對(duì)這些通常加密的信息進(jìn)行破解，從而在多年以后將威脅范圍追溯到當(dāng)前。量子計(jì)算機(jī)的研制已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，其對(duì)國(guó)家安全體系的重大意義不言而喻。

　　量子計(jì)算機(jī)縱然有無(wú)比強(qiáng)大的顛覆性功能，然而通用量子計(jì)算機(jī)的研制過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的。研制量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵在于量子比特的制備。量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環(huán)境變化都可能對(duì)其造成破壞性影響。因此，量子計(jì)算機(jī)的核心部件通常處于比太空更加寒冷的密封極低溫環(huán)境中，防止受到其他環(huán)境因素的干擾。量子比特的制備方式存在多種方案，經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，國(guó)際主流研究集中到了超導(dǎo)量子比特、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、囚禁離子、鉆石空位和拓?fù)淞孔颖忍氐取?/p>

　　由于量子計(jì)算對(duì)于國(guó)家安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大影響，世界各國(guó)政府持續(xù)高強(qiáng)度資助量子計(jì)算機(jī)的研制。毫無(wú)疑問(wèn)，美國(guó)在量子計(jì)算機(jī)研制上是國(guó)際最領(lǐng)先的，并且有著完整的布局。雖然量子計(jì)算研究的進(jìn)展低于十年前的預(yù)期，但還是讓人們看到了突破可集成化量子計(jì)算機(jī)技術(shù)瓶頸的希望。特別當(dāng)量子比特的保真度突破了容錯(cuò)量子計(jì)算的閾值，使得一些基本量子算法得到演示。這些巨大的成就吸引了一些國(guó)際商業(yè)機(jī)構(gòu)和政府部門(mén)的極大關(guān)注。

　　量子計(jì)算機(jī)研制已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)十分關(guān)鍵的時(shí)刻，國(guó)際上超大計(jì)算機(jī)、信息企業(yè)都投入巨大人力、物力來(lái)研制量子計(jì)算機(jī)。主要包括：2012年微軟研究院（美國(guó)）成立了量子體系結(jié)構(gòu)與計(jì)算研究組，主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu),包括量子程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及編譯系統(tǒng)。2013年谷歌公司與美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）聯(lián)合成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室，研究如何將量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)。2014年9月2日谷歌宣布美國(guó)UCSB大學(xué)的Martinis教授研究組加入谷歌公司研發(fā)量子計(jì)算機(jī)處理器。2014年IBM宣布耗資30億美元研發(fā)下一代芯片（五年計(jì)劃），主要是量子計(jì)算與神經(jīng)計(jì)算。2015年世界最大的芯片制造商Intel公司宣布投入巨資與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)合作研發(fā)基于硅量子點(diǎn)的量子計(jì)算機(jī)，并于近日開(kāi)發(fā)出了將量子計(jì)算機(jī)需要的超純硅附著在傳統(tǒng)微電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)晶圓上的技術(shù)，以期搶占半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)研制的制高點(diǎn)。2015年5月，全球最大的國(guó)防工業(yè)企業(yè)洛克希德.馬丁(LockheedMartin)與馬里蘭大學(xué)合作研發(fā)集成量子計(jì)算平臺(tái)。2016年5月4日IBM公司發(fā)布了5個(gè)量子比特的量子計(jì)算云服務(wù)。2016年8月4日馬里蘭大學(xué)與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布5個(gè)量子比特的可編程量子計(jì)算機(jī)。美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家在前期已經(jīng)投入大量研發(fā)資金之后，2016年4月歐盟又宣布于2018年啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目，促進(jìn)包括通用量子計(jì)算機(jī)等在內(nèi)的多項(xiàng)量子技術(shù)的發(fā)展。同月，澳大利亞政府宣布在澳大利亞量子計(jì)算與通信技術(shù)中心成立量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步集中對(duì)半導(dǎo)體硅基量子芯片等研究加大投入，以期搶占半導(dǎo)體量子計(jì)算的制高點(diǎn)。

　　我國(guó)政府也很重視量子信息技術(shù)的發(fā)展，在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中將“量子調(diào)控研究”列為四個(gè)重大科學(xué)研究計(jì)劃之一，給予量子信息技術(shù)穩(wěn)定的研究支持，做出了一系列創(chuàng)新性研究成果，在某些方面已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先地位，特別是基于量子物理的新型量子保密通信技術(shù)已逐步邁向?qū)嵱没a(chǎn)業(yè)化。

　　然而實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的研制是一個(gè)系統(tǒng)工程，既要以量子物理為基礎(chǔ)進(jìn)行量子計(jì)算模型的原理性創(chuàng)新，又要從材料體系，結(jié)構(gòu)工藝，系統(tǒng)構(gòu)架和軟件控制等工程技術(shù)創(chuàng)新和積累，我國(guó)在現(xiàn)代工藝技術(shù)上的基礎(chǔ)薄弱，在核心電子器件、高端通用芯片、基礎(chǔ)軟件、極大規(guī)模集成電路制造裝備等長(zhǎng)期落后，也導(dǎo)致我國(guó)量子計(jì)算的研究大都局限于原理驗(yàn)證性和演示性層面，缺乏系統(tǒng)深入的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和以實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)為目標(biāo)的研究隊(duì)伍。特別是在可擴(kuò)展的固態(tài)量子比特研究體系上，國(guó)內(nèi)只有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所等少數(shù)單位開(kāi)展相關(guān)研究。雖然經(jīng)過(guò)近幾年不懈努力，我們?cè)诎雽?dǎo)體量子點(diǎn)和超導(dǎo)量子比特研究中取得了一系列重大突破，在某些方面達(dá)到了世界一流水平，但是與國(guó)際領(lǐng)先水平還有差距，特別是在人力和物力方面的投入與歐美國(guó)家相比還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

　　量子計(jì)算機(jī)的研制需要物理、材料、信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的緊密協(xié)調(diào)和結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)從大規(guī)模器件的制備向微電子工程方面邁進(jìn)。通用量子計(jì)算機(jī)的研制還有很長(zhǎng)的路需要走，量子計(jì)算機(jī)的研制將伴隨著經(jīng)典計(jì)算的發(fā)展一起前進(jìn)，相信隨著量子比特的保真度達(dá)到容錯(cuò)量子計(jì)算的閾值，量子計(jì)算機(jī)的研究已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室階段向工程技術(shù)化階段邁進(jìn)，越來(lái)越多的研究單位和大型公司企業(yè)將進(jìn)入，從而加速可實(shí)用化通用量子計(jì)算機(jī)研制的進(jìn)程。從先進(jìn)的發(fā)展模式而言，各大公司與研究機(jī)構(gòu)合作研制量子計(jì)算機(jī)是集科研機(jī)構(gòu)、公司、政府部門(mén)等于一體的研發(fā)模式，這可能是未來(lái)推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)研制的一種有效模式。（中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

　　轉(zhuǎn)自：C114通信網(wǎng)

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