量子計(jì)算未來已來？
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圖：2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者圖源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)近兩年，與量子計(jì)算相關(guān)的資訊越來越多，但量子計(jì)算本身十分抽象，與傳統(tǒng)計(jì)算相比要更加復(fù)雜，以至于外界對(duì)量子計(jì)算或量子力學(xué)的調(diào)侃在網(wǎng)絡(luò)上廣為流傳，比如“遇事不決，量子力學(xué)”“科學(xué)的盡頭是玄學(xué)”等。那么，到底什么是量子計(jì)算？我們又該如何正確理解這個(gè)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的價(jià)值？
打破“后摩爾時(shí)代”的算力危機(jī)當(dāng)下，人類社會(huì)正朝著“數(shù)智時(shí)代”前進(jìn)，海量數(shù)據(jù)及其在提升經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益方面起到的巨大作用，使得處理數(shù)據(jù)所需要的算力的重要性愈加凸顯，進(jìn)一步提升算力也因此成為數(shù)字社會(huì)發(fā)展的迫切需求。自經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)明以來，算力增長(zhǎng)一直遵循“摩爾定律”。根據(jù)該定律，單位面積上的晶體管的數(shù)量每18個(gè)月將翻倍一次，與之相應(yīng)的是計(jì)算機(jī)性能（即算力）也隨之翻倍。
圖：Intel芯片圖源：Pixabay然而，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所用的硅電芯片上的晶體管的數(shù)量，將逐漸達(dá)到物理極限，硅電芯片發(fā)展所面臨的瓶頸——算力、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)也日漸凸顯。為了應(yīng)對(duì)算力挑戰(zhàn)，打破“后摩爾時(shí)代”的算力危機(jī)，目前先進(jìn)計(jì)算技術(shù)從單點(diǎn)計(jì)算性能的提升與算力系統(tǒng)的高效利用兩個(gè)方向著手突破，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)出現(xiàn)多種具有廣泛市場(chǎng)前景的算力技術(shù)和硬件 。而在各類算力相關(guān)的技術(shù)中，量子計(jì)算尤為受關(guān)注。一般來說，量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，它與現(xiàn)有計(jì)算模式完全不同。在理解量子計(jì)算的概念時(shí)，通常將它與經(jīng)典計(jì)算相比較。經(jīng)典計(jì)算使用二進(jìn)制的數(shù)字電子方式進(jìn)行運(yùn)算，而二進(jìn)制總是處于0或1的確定狀態(tài)。量子計(jì)算借助量子力學(xué)的疊加特性，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算狀態(tài)的疊加。它不僅包含0和1，還包含0和1同時(shí)存在的疊加態(tài)。
圖：薛定諤的貓來源：pixabay這種疊加態(tài)，我們可以用“薛定諤的貓”來形象化地進(jìn)行闡釋。1935年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出了一個(gè)關(guān)于貓的著名思想實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，一只貓和少量放射性物質(zhì)被放進(jìn)一個(gè)盒子里，貓被放射性物質(zhì)殺死的概率為50%。從經(jīng)典物理學(xué)的角度來看，在盒子里的貓只有兩種結(jié)果：生或死。而結(jié)果只有當(dāng)觀測(cè)者打開盒子時(shí)才能知道。而站在量子力學(xué)的視角，處于密閉盒子中的貓的生死狀態(tài)是一種不確定的疊加狀態(tài)，只有當(dāng)盒子打開后，在外部觀測(cè)者觀測(cè)時(shí)，物質(zhì)以粒子形式表現(xiàn)后，貓是死是活的狀態(tài)才能確定 。而關(guān)在盒子里的貓生死疊加的狀態(tài)，正是量子的疊加性的宏觀闡述。科學(xué)家們認(rèn)為，基于量子的疊加特性，量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上的計(jì)算能力將會(huì)遠(yuǎn)超任何一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。這就是所謂的“量子計(jì)算優(yōu)越性”或“量子霸權(quán)”?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)，當(dāng)可以精確操縱的量子比特超過一定數(shù)目時(shí)，量子計(jì)算優(yōu)越性就可能實(shí)現(xiàn)。
超越“圖靈”的新可能1936年，阿蘭·圖靈以一篇著名的論文《計(jì)算機(jī)器與智能》宣告了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)的誕生，自此，人類開始步入機(jī)器智能時(shí)代。與圖靈思想相關(guān)的理論也成為“統(tǒng)治”經(jīng)典計(jì)算機(jī)領(lǐng)域此后幾十年發(fā)展的主流理論，例如“強(qiáng)邱奇-圖靈”論題（任何算法過程都能用圖靈機(jī)有效仿真）。但人類總是在對(duì)自我的挑戰(zhàn)中獲得更大的發(fā)展，對(duì)“強(qiáng)邱奇-圖靈”論題的挑戰(zhàn)也推動(dòng)了量子計(jì)算機(jī)的誕生。簡(jiǎn)單來說，量子計(jì)算機(jī)就是使用量子器件制造，利用量子的疊加與糾纏特性，運(yùn)行量子算法與量子軟件的新型計(jì)算設(shè)備。在處理某些特定問題上相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有指數(shù)級(jí)別的加速優(yōu)勢(shì)。谷歌在 2019 年推出了名叫“懸鈴木”的量子計(jì)算機(jī)，率先宣布實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，“懸鈴木”包含53個(gè)量子比特的芯片，花費(fèi)200秒就可以對(duì)一個(gè)量子線路取樣一百萬次，如果用當(dāng)時(shí)世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“Summit”完成同樣的任務(wù)則需要一萬年。盡管IBM的科學(xué)家對(duì)Google宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”存有異議，但這一突破無疑是量子計(jì)算領(lǐng)域的一項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步，也因此，“量子優(yōu)越性”被《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)選為2020年“全球十大突破性技術(shù)”之一。
過去 20 年里，多項(xiàng)與量子計(jì)算相關(guān)的技術(shù)入選《麻省理工科技評(píng)論》“全球十大突破性技術(shù)”，包括2003 年入選的“量子密碼”、2005 年的 “量子導(dǎo)線”、2018 年入選的“材料的量子飛躍”、2020年入選的“量子優(yōu)越性”等。現(xiàn)階段，量子計(jì)算雖然還處于發(fā)展早期，但也已經(jīng)開始對(duì)金融、醫(yī)療、通信等多個(gè)行業(yè)帶來影響。業(yè)界認(rèn)為，量子計(jì)算將在新****開發(fā)、人工智能發(fā)展、破解加密算法、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，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發(fā)等奠定科學(xué)基礎(chǔ)。麥肯錫咨詢公司一份關(guān)于量子技術(shù)的檢測(cè)研究則顯示，2021年量子計(jì)算市場(chǎng)的資本投入持續(xù)飆升，其中，制****、化工、汽車和金融這四大行業(yè)將有望成為量子優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵受益行業(yè) 。根據(jù)DeepTech發(fā)布的《2022先進(jìn)計(jì)算七大趨勢(shì)》報(bào)告，2021 年度量子計(jì)算硬件及軟件公司共完成42筆融資，融資總額約26.91億美元，超過以往的總和。2022年8月，波士頓咨詢集團(tuán)發(fā)布的一份報(bào)告預(yù)計(jì)，量子計(jì)算在未來15到30年內(nèi)，將創(chuàng)造450億-8500億美元的價(jià)值。量子計(jì)算的遠(yuǎn)大前景也吸引了國(guó)家、企業(yè)競(jìng)相展開產(chǎn)業(yè)布局與技術(shù)研發(fā)。2022年9月13日，世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布《量子計(jì)算現(xiàn)狀：構(gòu)建量子經(jīng)濟(jì)》報(bào)告指出，2022年，量子技術(shù)相關(guān)的公共和私人投資總額達(dá)到355億美元 。全球知識(shí)產(chǎn)權(quán)綜合信息服務(wù)商IPRdaily中文網(wǎng)發(fā)布的全球量子計(jì)算技術(shù)發(fā)明專利排行榜（TOP100）顯示，截至2022年10月18日，全球公開的量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)明專利申請(qǐng)數(shù)量前100名企業(yè)主要來自18個(gè)國(guó)家和地區(qū)，其中美國(guó)占比40%，中國(guó)占比15%，日本占比11%。榜單上，位列前三的美國(guó)科技公司IBM、Google和加拿大量子計(jì)算公司D-Wave分別擁有1323件專利、762件專利和501件專利；來自中國(guó)的本源量子和百度網(wǎng)訊分別以234件專利、186件專利躋身前十，分列第六位和第八位 。從專利數(shù)據(jù)來看，全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段。國(guó)內(nèi)外多個(gè)企業(yè)都在量子計(jì)算領(lǐng)域積極布局并取得不錯(cuò)的成果，我國(guó)也迎來了量子計(jì)算研究的里程碑時(shí)刻。
進(jìn)擊的中國(guó)量子計(jì)算在我國(guó)，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到政策的高度支持。其中，2015年5月，國(guó)務(wù)院頒布的《中國(guó)制造2025》中提到：積極推動(dòng)量子計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等發(fā)展，將量子通信納入新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)；2016年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，量子通信與量子計(jì)算機(jī)被選擇納入體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目之一；2022年1月國(guó)務(wù)院發(fā)布的《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提出要瞄準(zhǔn)傳感器、量子信息等前瞻性領(lǐng)域，提高數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)能力。在政策帶動(dòng)下，中國(guó)量子計(jì)算賽道也迎來快速發(fā)展。2020年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建出76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了 “高斯玻色取樣” 任務(wù)的快速求解?！熬耪隆?處理高斯玻色取樣的速度，比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍，比谷歌超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī) “懸鈴木” 快一百億倍。舉例來說就是，在室溫下運(yùn)行并計(jì)算玻色采樣問題，同樣處理 100 億個(gè)樣本，“九章” 需要 10 小時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要 1200 億年。此后，中科大潘建偉教授與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究院等多方進(jìn)行合作，成功打造出量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”。“九章二號(hào)” 高斯玻色取樣任務(wù)快速求解速度再次刷新了國(guó)際光量子操縱的技術(shù)水平。
圖：“九章”量子計(jì)算機(jī)原型圖源：中國(guó)科學(xué)院官網(wǎng)除九章和九章二號(hào)之外，2021年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所合作，構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解?！白鏇_之二號(hào)”的求解速度比全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000萬倍以上，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌的“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級(jí) 。企業(yè)方面，兩家在量子計(jì)算專利數(shù)量上位列全球前十的企業(yè)——百度和本源量子所取得的成果也令人矚目。今年8月，百度發(fā)布超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“乾始”和首個(gè)全平臺(tái)量子軟硬一體解決方案“量羲”，集量子硬件、量子軟件、量子應(yīng)用于一體，提供移動(dòng)端、PC端、云端等在內(nèi)的全平臺(tái)使用方式。本源量子在2021年9月10日發(fā)布的未來五年量子計(jì)算技術(shù)規(guī)劃路線圖顯示，到2025年，本源量子將突破1000位量子比特，達(dá)到1024位量子比特。來源：麻省理工科技評(píng)論
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