量子计算机潜力巨大

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研究人员正在检查量子计算机的低温处理设备。

人的视觉

说到颠覆性技术，量子计算机是当前科技界的闪亮之星。

30多年前，物理学家提出了用量子来构建计算系统的想法，此后，科技界从未停止过探索。量子计算机的能力是什么？它现在采取了什么步骤？记者采访了相关专家。

“在量子计算机面前，传统计算机就像‘算盘’。”

最近，量子计算机领域经常取得重要进展:霍尼韦尔说，它已经开发出量子体积为64的量子计算机，其性能是上一代的两倍；中国最早的量子计算公司与中国科学院量子信息重点实验室等研究团队合作，首次在世界范围内发现了控制和读取量子位的新思路，为扩展量子位提供了可能...

什么是量子计算机？简而言之，当一个设备处理和计算量子信息并运行量子算法时，它属于量子计算机。

人们对量子计算机充满期待，这与传统计算机遇到的瓶颈有关。近年来，传统计算机的性能增长变得越来越困难，探索新物理原理的高性能计算技术应运而生。

“量子计算机是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物，是后摩尔时代的标志性技术。”中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭广灿说，量子是微观状态下不可分割的基本单位。众所周知的微观粒子，如电子和光子，都是量子的表现。

传统计算机使用0和1来存储和处理数据，通常被称为经典位。量子计算机的神奇之处在于它的基本计算单位量子位可以同时是0和1，这就允许了“叠加态”的共存，从而具有更强的并行能力。例如，如果你在800万本书中寻找一个单词，经典的计算机方法是一个接一个地搜索，为了提高速度，你需要多个处理器协同解决它。量子的叠加性质不同于二进制算法的逻辑，它使量子计算机同时搜索800万台计算机。“在量子计算机面前，传统计算机就像‘算盘’。”郭广灿说道。

渊源量子计算有限公司副总裁张辉表示，量子计算机可以在需要大规模计算的领域展示自己的优势，比如帮助先进材料制造和新能源开发。在药物研发中，量子计算机可以通过精确模拟各种分子和原子的自然进化，帮助研究人员快速找到对付病毒的药物；在公共交通领域，量子计算可以快速分析和预测复杂的交通状况，从而调度综合交通系统，最大限度地避免道路拥堵。

量子计算的应用已经走出了实验室，并受益于它的工程进展。目前，许多国家将量子计算视为未来技术的制高点。国内外知名企业纷纷涉足量子计算，全球有100多家量子计算初创企业。郭广灿说，量子计算的发展速度比想象的要快，许多停留在纸上的想法已经逐渐成为现实。

“如果用经典计算机的发展过程来衡量，量子计算机现在处于早期‘电子管时代’。”

尽管量子计算机有着广阔的前景，但要实现它还有很长的路要走。郭广灿指出，制造量子计算机有三个基本条件:量子芯片、量子编码和量子算法。它们是实现量子计算的物理系统，是保证计算可靠性的处理系统和提高计算速度的关键。

"要成为一台量子计算机，你必须首先拥有足够的量子位."腾讯量子实验室高级研究员郑解释道。什么是量子位？理论上，自然界中所有具有量子效应的载流子都可以用作量子位。经过长期探索，科学家们发现超导性、离子陷阱、光子、超冷原子和半导体量子点都具有量子效应，这意味着它们可以用来开发量子计算机。这些不同的系统创造了不同的方法来实现量子计算机技术。

当量子计算机变得实用时，应该控制多少个量子位？郑说，人们普遍认为应该控制一百万个量子位。但目前，该行业只能控制不超过100个量子位。

在宏观环境中，如何在微观环境中保持量子特性是量子计算机应用的另一个重要障碍。为此，我们需要长的相干时间(量子系统衰变的时间常数)和非常高的保真度。“增加位数而不降低保真度是学术界关注的一个难题。”郑对说道。

“每个系统都有优点和缺点。最后，哪条路线可以实现量子计算，大家都不清楚。”张辉说道。具体来说，半导体量子点路线易于操作，但相干时间很短；光学或离子阱路由具有长的相干时间，但是可扩展性差。清华大学量子信息中心副教授金表示，近年来，学术界对离子阱路径的基础研究很多，但业界对此重视不够，工程技术方面的具体工作才刚刚开始。

目前，大多数开发商选择超导和半导体路线，他们的工程和技术也在迅速发展。开发人员希望借助先进的半导体和集成电路技术，在推动量子计算机发展的同时，为未来量子计算机和经典计算机的潜在集成做好准备。

从电子管到晶体管再到集成电路，随着材料和工艺的不断改进，传统计算机的性能也在不断提高。“如果用经典计算机的发展过程来衡量，量子计算机现在处于早期‘电子管时代’。”张辉说量子计算机仍然“愚蠢”，而且比智能手机和笔记本电脑慢得多。量子计算机也必须经历一个开发过程。

“量子计算技术是一项颠覆性技术，它关系到未来发展的基本计算能力。”

张辉认为，量子计算能力的真正衡量标准是，与经典计算相比，使用量子计算解决问题时，谁消耗的资源更少。

"目前，量子计算机还没有找到合适的应用场景."金认为，真正的量子计算机不仅能证明它能比经典计算机做得更好，而且能做出更有价值的工作。如果我们只能处理一个特定的问题，量子计算机只是一个高效的“伐木工人”，只有当我们知道如何用木头做家具时，我们才能成为真正有用的量子计算机。

科学家预测，在未来10到15年内，科学界有可能操纵100个量子位，从而实现“量子优势”。郭广灿表示，在经典信息技术时代，中国是一个追踪者和模仿者，而量子计算是中国未来成为信息技术领导者的一个机会。“量子计算技术是一种颠覆性技术，它关系到未来发展的基本计算能力。谁先把量子计算机拿出来，谁就将占据量子信息时代的制高点。”

发展量子计算机的门槛很高。自两年前成立以来，最初的量子计算公司仅在硬件方面就投资了数亿元。但是研究人员说量子计算就像一个洞穴。我不知道里面是否有“宝藏”，但我必须有勇气冲进去看看它是什么样子。

五年前，中国科学院和阿里巴巴集团建立了一个联合实验室，共同开展量子信息科学领域的前瞻性研究，这是中国量子计算的早期布局。近年来，在量子计算领域，中国研究者发表了许多有影响的研究成果。在张辉看来，中国与国际“领先者”的差距不在于科学研究，而在于工程和技术。量子计算机是一个整体，除了芯片、测量和控制、软件、算法等。也应该受到高度重视。"即使几条线之间的微弱干扰也会影响整体计算性能."

量子计算机与经典计算机并不对立，也不会完全取代经典计算机。"玩电脑游戏，我们将永远不需要量子电脑."张辉说，自从经典电脑问世以来，它们已经能够处理日常生活中的大部分任务，将来应该会相互融合。

郭广灿认为，掌握量子计算机的关键核心技术是当务之急，需要付出真正的努力。只有经过深入研究和技术沉淀，才能取得突破。特别是要注意解决工程问题，以便抓住量子计算机的发展机遇。

人民日报(2020年7月20日，第19版)

来源：搜狐微门户