未来已来!足以改变世界的量子计算机

我们用历史来指导未来，而历史是研究意外和变化的核心；但这不应妨碍我们以更好地了解技术的未来为目标：随着未来到来，通过计划获得的知识对于选择适当的行动至关重要。长期以来，量子计算机（Quantum Computer）被认为是若干年之后才会实现的高新技术；但近年来，该技术呈现出新的趋势，实现了从理论走向应用，从实验室走向生产线的转变。

日前，中国科学院院士潘建伟教授在公开课演讲上向公众透露光量子计算机最新进展：已经实现了光量子计算性能超过美国谷歌公司53比特量子计算机的100万倍。他还透露：“我们刚刚完成了对50个光子的玻色取样，相比谷歌的‘量子优越性’大概可以快100万倍。”所谓“量子优越性”（quantum supremacy），是指量子计算机能达到50个量子比特，而谷歌的量子计算机在去年实现了53比特的量子机能。

所谓“量子计算机”，顾名思义便是利用量子力学的原理进行计算的一种系统，不同于传统计算机，量子计算机能同时处理巨量信息，其运行效率远超超级计算机。在当前阶段，量子计算机被认为将会引导新一轮的技术革新，可谓是至关重要。量子计算机目前主要有两种：光量子计算机和分子量子计算机。前者基于光学原理，后者基于化学原理。量子计算机有望解决传统计算机过于复杂的问题，并以新颖而强大的方式处理信息。

1982年，美国著名物理学家理查德·费曼教授提出了量子计算的概念，并指出以量子力学为基础的计算机在处理特定问题时，具有远超经典计算机的能力优势。这一概念提出后，引起了计算机领域的广泛关注，并在90年代先后诞生了著名的Shor算法、Grover算法等，为后来量子计算技术发展奠定了重要的理论基础。量子计算是新形态的计算技术，速度比传统的二进制计算快上数亿倍。

量子计算的主要原理就是利用了量子态的叠加性和纠缠性。比特作为计算的基本信息处理单元，具有0和1两种逻辑态，且在经典计算模式只能处于0或1的一种，而量子比特却能够处于0和1的叠加态。换言之，每个经典存储器仅能存储0或1其中一个，而量子存储器却能同时存储0和1。因此，当计算机有n个存储器时，经典计算模式每操作一次只能变化一个数据，而量子计算模式每操作一次则变化了2^n个数据，量子计算的数据处理能力是经典模式的2^n倍。当n足够大时，量子计算的优势将十分明显。

从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力和更重要作用。因此，量子计算领域近年异常热闹，许多科研机构都已进军量子计算领域。

2019年8月，中国量子计算研究获重大进展。浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等单位组成的研究团队通力合作，开发出具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功操控其实现全局纠缠，刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。据介绍，多比特量子纠缠态的实验制备是衡量量子计算平台控制能力的关键标志。经过两年时间的器件设计与制备、实验测控及数据处理，由中国科学家组成的联合团队成功地将纠缠的量子比特数目推进到20。这见证了人类在量子计算的研究道路上又迈进了一步。

据媒体报道，美国谷歌公司研究人员最近借助量子计算机，首次成功模拟了一个化学反应。他们表示，尽管这一反应很简单，但却是量子计算机走向实用化的重要一步。量子计算机模拟化学分子用处巨大。除了谷歌外，其他拥有量子计算技术的公司也在研究，微软就是其中一员。今年7月，微软发表了一篇文章，用量子计算帮助化学家寻找催化剂，将二氧化碳转化为甲醛。展示了量子计算与化学结合的应用前景。未来可以将这种算法扩大规模，来模拟更复杂的反应。而要模拟更大分子的反应，还需要更多的量子比特。

量子计算可分为通用量子计算和专用量子计算两大类，前者具有通用性能够解决各类计算难题，后者则是专门针对某类计算难题。目前，科研学术主要集中于专用量子计算领域，如加拿大量子计算公司D-Wave在2011年推出世界上第一台专用量子计算机的工作模型机D-Wave one；该机包含128量子比特和2.4万个约瑟夫森结，目前已被用于先进武器设计和雷达开发测试等领域，从而使距离量子计算机的梦想近了一大步。

科学计算离不开计算机，但它更离不开计算方法。中国著名学者周海中教授曾经说过：“计算不仅是数学的基础技能，而且是整个科学的基本工具。”毫无疑问，作为一种有用的计算工具和新型的计算方法，量子计算机将在各学科领域发挥越来越重要的作用，并给未来世界带来巨变。

文/李阳（作者单位：丹麦技术大学信息技术和数学建模系）