量子時代的探尋與追問

陳芳+董瑞豐+周琳+徐海濤

“量子計算機就像初生的嬰兒，未來最終會長成什么樣子，對整個科學界還是個未知數”

世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機5月3日在上海亮相，十個超導量子比特糾纏首次成功實現，中國科學家再次站在了創新的前沿。

一個世紀前，那場關于“上帝到底擲不擲骰子”的愛因斯坦-玻爾論戰，為人類開啟了量子世界之門;進入21世紀，量子通信、量子計算等核心技術飛速發展，一場新的量子革命正在到來。

微觀世界的運行，遠比人類想象得更神秘。世界首顆量子通信衛星、十光子糾纏、天地一體化量子通信網絡……中國“量子人”一系列突破性進展，在量子革命的發展史上，標注下新的印記。

未來將秒殺超級計算機

芯片越來越小，傳統計算機未來必將遭遇計算極限。求解一個億億億變量（10的24次方）的方程組，利用目前的超級計算機，大約需要100年。面對類似這樣的大規模計算難題，如果借助萬億次量子計算機，只需0.01秒。

全新的量子計算機利用量子特有的“疊加狀態”，以采取并行計算的方式，讓速度以指數量級地提升。中國科學技術大學潘建偉院士和陸朝陽教授等研制的光量子計算機，已經比人類歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快10倍至100倍。

據介紹，關于量子計算研究的系列成果已經發表于《自然·光子學》等國際權威學術期刊。“這意味著，中國科學家研制出了量子計算領域的埃尼亞克（第一臺電子管計算機ENIAC）。”《自然·光子學》的審稿人表示。

潘建偉說，在量子計算基礎研究領域，就計算能力而言，科學界有三個達成共識的指標性節點：第一步超越首臺經典計算機，第二步超越商用CPU，第三步超越超級計算機。“目前我們實現的只是其中的第一步，但這一小步卻是重要的一步。”

陸朝陽表示，預計年底可以實現操縱20個量子比特、達到目前商用CPU水平;到2020年，有望實現操縱45個量子比特的目標，向經典超級計算機的計算能力發起挑戰。

全球角力

由于量子計算有巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展協同攻關，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強勢介入量子計算研究。

來自中國科學院量子信息和量子科技創新研究院的信息顯示，國際學術界關于量子計算技術的發展，集中于光子、超冷原子和超導線路這三個研究體系。其中，在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持國際領先水平，其“多光子糾纏及干涉度量”項目獲得2015年度國家自然科學獎一等獎。

“最快帶來實際價值的體系是超冷原子量子模擬，將來很可能集成化的是超導量子計算，谷歌、IBM都在投入大量資源，積極布局。”潘建偉說。

2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱。此次，潘建偉及其同事朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組，首次實現10個超導量子比特的糾纏，在基于超導體系的量子計算機研究方面取得突破性進展。

不過，由于高精度量子操控技術的極端復雜性，目前對其的研究仍處在早期發展階段。“量子計算機就像初生的嬰兒，未來最終會長成什么樣子，對整個科學界還是個未知數。”潘建偉說。

10年內專用量子計算機有望“實用化”

自誕生以來，量子力學就一直在催生眾多重大發明，包括原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛星定位等。量子計算機的問世，有助于解決現有計算機也難以解決的問題。

“10年內，超導量子操縱有可能做到100個粒子。到那時，它對某些特定問題的計算能力就可以達到目前全世界所有計算能力之和的100萬倍，計算能力將會突飛猛進。”潘建偉說，此外量子計算機能耗更低。

專家認為，計算能力極限的大幅提升，意味著量子計算機可以分析更多數據。比如，實現精準的天氣預報，躲避颶風海嘯;計算優化的出行線路，讓城市減少堵車;識別有效的分子組合，降低藥物的研發成本和周期;甚至可以用于探索太空，較快辨別可能存有生命體的行星。

潘建偉預測，造出“專用”量子計算機，在求解材料設計、化學研究、物理研究等方面特別需要、特別有用的問題上超越“超級計算機”，有望在10年內出現，最終還將拓展到量子人工智能領域。

信息安全的“護衛艦”

當前，信息科技日益走向智能化，量子不僅可以用于量子計算，更安全的量子通信也應運而生。

隨著“墨子號”發射升空，我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信。按照規劃，未來還將發射多顆量子衛星。到2030年左右，建成一個全球化的廣域量子通信網絡。

潘建偉說，量子通信可以從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數字簽名等的安全性，從根本上解決信息安全問題。目前，量子保密通信已逐步進入產業化階段，成為未來保障信息安全的“護衛艦”。

本刊記者了解到，對于量子時代的科學應用，中國“量子人”團隊有著明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現局域量子通信網絡，到實現多橫多縱的全球范圍量子通信網絡;通過量子計算研究，為大規模計算難題提供解決方案，實現大數據時代信息的有效挖掘;通過量子精密測量研究，實現新一代定位導航等。

到2030年，或許人人家里都有一個“密鑰機”;新的量子材料可以改變電池技術，成百倍地擴大電池容量……面對變幻莫測的量子世界，從“被動觀測”邁入“主動調控”，人們期待著量子科技開啟更美好的未來。