陳根：玫瑰荊棘，量子計算的前路和未來_風聞

文/陳根

在十九世紀初期，完美的經典物理學的大廈已經建成。然而，還有“兩朵烏雲”仍然籠罩在經典物理學大廈的上方，其中一朵就是黑體輻射的紫外災難。為了解釋這個現象，並結合已有的對氫原子光譜等問題的研究，量子力學橫空出世。

量子力學發展起來，延伸出許多相關的分支，量子計算就是最為人們所看好的量子技術之一。擁有高出普通計算機數十甚至數百倍算力的量子計算機，是吸引了無數科技公司、大型學術團體乃至中國政府的研究熱點。當前，各公司，甚至各國——都在爭奪量子計算這個新興技術領域的龍頭地位。

量子計算的玫瑰與荊棘

眾所周知，經典計算機以比特（bit）作為存儲的信息單位，比特使用二進制，一個比特表示的不是“0”就是“1”。但是，在量子計算機裏，情況會變得完全不同，量子計算機以量子比特（qubit）為信息單位，量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，**還可以做到“既1又0”，這意味着，量子計算機可以疊加所有可能的“0”和“1”組合，讓“1”和“0”**的狀態同時存在。

相較於經典計算，基於量子比特特性的量子計算機優勢顯而易見。普通計算機中的2位寄存器一次只能存儲一個二進制數，而量子計算機中的2位量子比特寄存器可以同時保持所有4個狀態的疊加。當量子比特的數量為n個時，量子處理器對n個量子位執行一個操作就相當於對經典位執行2n個操作，這使得量子計算機的處理速度大大提升。**可以説，**量子計算機最大的特點就是速度快。

以質因數分解為例，每個合數都可以寫成幾個質數相乘的形式，其中每個質數都是這個合數的因數，把一個合數用質因數相乘的形式表示出來，就叫做分解質因數。比如，6可以分解為2和3兩個質數；但如果數字很大，質因數分解就變成了一個很複雜的數學問題。1994年，為了分解一個129位的大數，**研究人員同時動用了1600台高端計算機，花了8個月的時間才分解成功；但使用量子計算機，**只需1秒鐘就可以破解。

此外，根據量子力學，在微觀世界，能量是離散化的，就像不停地用顯微鏡放大斜面，最後發現所有的斜面都是由一小級一小級的階梯組成一樣，量子並不是某種粒子，它指代的是微觀世界中能量離散化的現象。量子系統在經過“測量”之後就會坍縮為經典狀態。

這就是那個經典的“薛定諤的貓”的思想實驗，當我們打開密閉容器後，貓就不再處於疊加狀態，而是死貓或者活貓的唯一狀態。同樣，量子計算機在經過量子算法運算後每一次測量都會得到唯一確定的結果，且每一次結果都有可能不相同。根據基礎的量子門，科學家可以開發出相應的量子算法。

雖然量子計算機每一次的測量結果都類似“上帝擲骰子”一樣會發生不同，但是隻要量子算法設計合理，量子計算機運算結果中出現概率最大的結果就是正確結果。面對較為複雜的計算問題，經典算法需要進行各態遍歷等重複操作，算法的複雜度較高，而量子算法則能較快得到結果，只需少數測量取樣得到計算結果概率即可知道正確結果。但顯然，這不是一個容易的過程。

一方面，量子比特需要處在相互依賴的疊加態——也被稱為“量子相干”的狀態，在此狀態下量子比特會相互糾纏，一個量子比特的變化會影響其他所有量子比特。為了實現量子計算，就需要保持所有的量子比特相干。

**然而，****量子相干實體所組成的系統和其周圍環境的相互作用，會導致量子性質快速消失，****即“****退相干”。**想要建造量子計算機，研究人員就必須設法延長退相干時間，但目前的技術僅能將時間延長到零點幾秒。隨着量子比特數量的增加，其與外界環境接觸的可能性增大，想要延長退相干時間的難度也就越大。

另一方面，正如自然中的其他過程一樣，量子計算過程中也有噪聲。來自量子比特內的熱量、來自基本的量子力學過程的隨機波動都可能會干擾量子比特的狀態，從而造成計算錯誤。噪聲在經典計算中同樣存在，但不難解決，只要給每個比特保存兩到三份備份，這樣一個錯誤的比特就很容易被發現和剔除。**而在量子計算機中，所有的計算能力卻往往被用於糾正錯誤，而不是運行算法**時，於是，解決噪聲問題的策略反而成為了一種負擔。

升級信息時代

即便量子計算的發展面對諸多現實性的艱鉅挑戰，但量子計算依然是物理學家和計算機科學家數十年來一直夢想的潛在革命性的技術。究其原因，量子計算機的發展從根本上而言能給人類社會帶來的是一次信息化的升級，量子計算的加入或許可以幫助人們在未來以更快更安全的方式處理數字化信息。

眾所周知，人類歷史上發生了三次工業革命，第一次是蒸汽時代，第二次是電氣時代，第三次則是信息時代。而以計算機為主的第三次工業革命，目前又在進一步進化為以互聯網、大數據和人工智能為開端的第四次工業革命。在第三次和第四次工業革命中，計算機起着重要的主導作用**，芯片，作為計算機的“大腦”****，**更是技術革命中的重中之重。

1965年，英特爾聯合創始人GordonMoore預測，集成電路上可容納的元器件數目每隔18個月至24個月會增加一倍。摩爾定律歸納了信息技術進步的速度。在摩爾定律應用的50多年裏，計算機得以進入千家萬户成為多數人都不可或缺的工具，信息技術由實驗室進入無數個普通家庭，因特網將全世界聯繫起來，多媒體視聽設備豐富着每個人的生活。

**“摩爾定律”對整個世界意義深遠。****然而，****經典計算機在以“硅晶體管”為基本器件結構延續摩爾定律的道路上終將受到物理限制。**計算機的發展中晶體管越做越小，中間的阻隔也變得越來越薄。在3nm時，只有十幾個原子阻隔。在微觀體系下，電子會發生量子的隧穿效應，不能很精準表示“0”和“1”，這也就是通常説的摩爾定律碰到天花板的原因。

儘管研究人員們也提出了更換材料以增強晶體管內阻隔的設想，但一個事實是，無論用什麼材料，都無法阻止電子隧穿效應。這一難點問題對於量子來説卻是天然的優勢，畢竟半導體才是量子力學的產物，芯片也****是在科學家們認識電子的量子特性後研發而成的。

此外，基於量子的疊加特性，量子計算就像是算力領域的“5G”，它帶來“快”的同時帶來的也絕非速度本身的變化。比如在圍棋領域戰勝全體人類的AlphaGo，其實從其最初研發到最終戰勝全球冠軍，一方面是AI算法的“軟成長”，另一方面則是運行AlphaGo的NPU在算力上的“硬成長”。兩者之間任何一個要素的發展都可能導致最終結果上AlphaGo變得更聰明。

基於強大的運算能力，量子計算機有能力迅速完成電子計算機無法完成的計算**，**量子計算在算力上帶來的成長，甚至有可能造就第四次人工智能浪潮。目前，針對人工智能產生的量子算法潛在應用包括量子神經網絡、自然語言處理、交通優化和圖像處理等。其中，量子神經網絡作為量子科學、信息科學和認知科學多個學科交叉形成的研究領域，可以利用量子計算的強大算力，提升神經計算的信息處理能力。

再比如，在數字加密領域，當下幾乎所有的數字加密都像是一把數學上的“鎖”，這把鎖的鑰匙串上有幾億甚至幾百億把可能打開它的鑰匙。此時，基於一個樸素的假設——暴力破解者沒有足夠的算力把其中的每一個鑰匙都做出來然後嘗試，因此，加密就是安全的。然而，當算力爆發式成長時，很多包括金融機構在內的密碼加密就將全部失去意義，取而代之的則****是基於量子技術的超高運算性能的安全架構。

量子計算下的中美角逐

量子技術是遠超當前任何一個國家所擁有的關於計算機領域的技術，包括芯片技術，以及當前一直在討論的區塊鏈技術。因此，作為全球科技前沿的重大挑戰之一，量子計算也成為世界各國角逐的焦點，尤其是中美。

美國是最早將量子信息技術列為國防與安全研發計劃的國家**，也是進展最快的國家。**早在2002年，美國防部高級研究計劃局（DARPA）就制定了《量子信息科學與技術規劃》。2018年6月，美國通過《國家量子倡議法案》，計劃在10年內撥給能源部、國家標準與技術研究所和國家科學基金12.75億美元，全力推動量子科學發展。

就企業而言，谷歌早在2006年就創立了量子計算項目。2019年10月，谷歌公司在《Nature》期刊上宣佈了使用54個量子位處理器Sycamore，實現了量子優越性。**具體來説，Sycamore能夠在200秒內完成規定操作，而相同的運算量在當今世界最大的超級計算機Summit上則需要1萬**年才能完成。這項工作是人類歷史上首次在實驗環境中驗證了量子優越性，也被《Nature》認為在量子計算的歷史上具有里程碑意義。

2020年8月，谷歌在量子計算機上模擬了迄今最大規模的化學反應，通過使用量子設備對分子電子能量進行Hartree-Fock計算，並通過變分量子本徵求解來進行糾錯處理完善其性能，進而實現對化學過程進行準確的計算預測。也就是説，谷歌已經進入研製量子計算機的第二階段。

**除了谷歌外，2015年，IBM也****在《自然通訊》上發表了使用超導材料製成的量子芯片原型電路。**2020年8月，實現了64位量子體積的量子計算機，量子體積是IBM提出的用於測量量子計算機的強大程度的一個性能指標。9月，IBM發佈了一份野心勃勃的路線圖——在2023年年底，IBM可以構建出1000 量子比特的量子硬件。

**英特爾則一直在研究多種量子位類型，包括超導量子位、硅自旋量子位等。**2018年，英特爾成功設計、製造和交付49量子比特的超導量子計算測試芯片Tangle Lake，算力等於5000顆8代i7，並且允許研究人員評估改善誤差修正技術和模擬計算問題。

我國亦在持續加碼相關投入**，可以説，****對於中國而言，要想在科技上佔據話語權，要想真正的實現科技領域的超車，量子科學是非常關鍵的技術。**根據“十四五”規劃，當前，我國已將量子信息納入國家戰略科技力量和戰略性新興產業，加快佈局量子計算、量子通信、神經芯片、DNA存儲等前沿技術，加強信息科學與生命科學、材料等基礎學科的交叉創新。

我國在量子計算獲得的突破和成就是顯著的。2020年12月，中國首次宣稱實現了量子計算優越性。中國科學團隊製造了的名為“九章”的量子計算機，可以在幾分鐘內完成一個特定的計算，而世界上最強大的超級計算機需要20多億年才能完成。 

不久前，中國又宣佈成功研製113個光子的“九章二號”量子計算原型機，根據現已正式發表的最優經典算法理論，“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快1024倍。同時，66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”實現超導體系“量子計算優越性”，計算複雜度比谷歌“懸鈴木”還提高了6個數量級。

儘管從實驗室到現實仍有距離，但量子科學的發展對人類文明帶來的重構是毋庸置疑的，尤其是量子糾纏、多維空間以及時空穿梭的探索，當這些技術不斷的被驗證、被實現的時候，對當前所構建的物理學以及在當前物理學基礎上所發展起來的科學認知觀念都將被更新。就像太空探索一樣，人們終將登上月球。