量子計算機

劉小桐

摘 要：我國量子領域實現又一突破，繼量子衛星實現量子通信后，量子計算機應運而生，使超高速運算得以實現，量子計算機不僅速度超快，與普通計算機相比，它還能解決復雜得多的問題，提高了中國的綜合軟實力。

關鍵詞：量子；計算機；量子計算機

中圖分類號：O413 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0023-02

我國在量子科研方面一直保持著大膽創新潛心鉆研的態度，繼量子衛星順利發送至外太空，實現了量子通信后，我國又在信息網絡方面實現了量子科技的大跨越，并一舉打破了世界紀錄， 成為世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機，這標志著我國的量子計算機研究領域已邁入世界一流水平，該量子計算機由中科大、中國科學院、阿里巴巴量子計算實驗室、浙江大學、中科物理所等協同完成參與研發，是名副其實的“中國制造”。

量子計算機是在量子力學基本原理基礎下實現信息處理的革命性技術，這個想法最早由美國的物理學家費曼于1982年提出，他發現分析量子物理世界所需的計算能力遠遠超過經典計算機所達到的程度，而用實驗室中一個可控的量子系統來模擬和計算另外一個量子系統，會非常高效。與經典計算機類似，我們完成量子計算機所需的基本單位也是比特，不過是量子世界的比特。與0和1組成的比特不同，量子比特可處于0和1兩種狀態按照任意比例疊加。這進一步說明，量子比特其實是分布在一個單位球表面上的任意一點，可見量子比特包含的信息要遠遠超過經典比特，另外按照量子系統的可疊加性，多個量子比特也可以并行處理運算。由于量子系統的特殊性與高效性，量子計算機對某些行業的復雜運算具有提高效率和準確性的特點，比如無序搜索和大數據因子分解等。

對于此項科研成果，中科院方面表示：目前只有一個單光子的量子模擬機，并且證明了通過量子計算的并行性加速求解解決線性方程組的可行性。另外，這個科研所用的模擬機，性能比人類第一臺電子管計算機（1946年誕生）和第一臺晶體管計算機（1954年誕生）快10-100倍。另外，據官方報道此項成果的突破性表現在：（1）高效率多光子玻色采樣。（2）超導電路中實現10 比特糾纏和并行邏輯運算。（3）使用超導量子處理器求解線性方程組。

量子計算機是中國科研在量子領域的又一進階與突破，標志著中國的科研水平正在逐步崛起，并保持了一定優勢，部分科研成果或已達到世界先進水平。

中國科研發展無疑是勵志的最佳代言人，從建國后的一窮二白到有志者的主動請纓，其中有摸黑探索，有外部打壓，有失敗的嘔心瀝血，路，即是這樣一步一步踏出來的。1964年10月，我國第一顆原子彈爆炸成功。1970年我國成功發射第一顆人造地球衛星——東方紅一號。1983年我國第一臺巨型計算機——銀河Ⅰ號誕生。2003年我國第一艘載人飛船——神舟五號，成功升空并返回。2007年，我國探月衛星“嫦娥一號”發射成功。

除了科研領域的具體成果，在計算機的發展歷程方面，也經歷了不斷推翻改進的過程，華羅庚教授可謂我國計算技術的奠基人和最主要開拓者之一，并著手建立了中國第一個電子計算機科研小組。1958-1964年第一代電子管計算機成功問世，標志著第一臺電子計算機的誕生。1965-1972年我國第二代晶體管計算機成功完成，提供更久的運行時間和更高的效率。1973-80年代初，第三代基于中小規模集成電路的計算機研制成功。1983年中科院推出我國第一臺大型向量計算機——757機，其計算速度達到每秒1000萬次，這一紀錄同年被銀河-Ⅰ號億次巨型計算機打破。銀河-Ⅰ號巨型機是我國高速計算機研制的一個里程碑式成果。80年代中期至今，第四代基于超大規模集成電路的計算機研制已提上日程。1992年成功研制出銀河-Ⅱ號運用并行巨型機，其峰值速度達到每秒4億次浮點運算（相當于每秒10億次基本運算）。1997年成功推出銀河-Ⅲ號百億次并行巨型計算機系統，采用可擴展分布共存存儲并行處理體系結構。由130多個處理結點組成，峰值性能為每秒130億次浮點運算。對于主宰計算機性能的量子，不得不說，近百年來，正飛速發展壯大，引起了科學家的足夠重視，觸角逐漸蔓延至各個科學領域，標志科學技術正向高精尖方向發展，并推動社會歷史的進一步蛻變。

2006年8月，中國長征號系列火箭在酒泉衛星發射中心成功升空，這次它搭載的是“墨子號”量子實驗科學衛星，這是世界上第一顆量子衛星，也是人類首次通過衛星實現地球和外太空之間的通信。將量子理論應用于通信之中，擁有很好的前景性和實用性。信息收發者通過量子頻道設定密鑰，而基于測不準原理，任何覬覦信息的竊聽者都會破壞到數據使得收發雙方發現，這就保證了沒有任何人能夠在不被當事人發現的情況下竊取信息，從而保持了信息的平衡安全性。這就是量子通信的基礎和巨大優勢。這一性能利用量子頻道的超高安全性和信息容量，以及傳輸速度上的優勢來接發信息，這正是量子計算在現實世界中最具實踐性與操作性的特點。

“量子”這一名詞最早由普朗克提出，根據諸多理論描述，量子理論與經典物理理論有5個顯著不同的特性，即非決定性、量子干涉、測不準、量子疊加和量子糾纏。

篩選諸多報道，我們可以概括出中科大量子計算機的最主要三項科研成果：（1）中科大做出了一臺專門計算boson sampling 的光量子計算機，計算了3、4、5光子的boson sampling問題，其計算速度比早期經典計算機要快很多倍。（2）中科大和浙江大學團隊實現了10個超導量子比特的糾纏。（3）中科大和浙大團隊在4個超導量子比特上運行了一個解線性方程組的量子算法。第一個科研成果意義很大，但實際應用意義可能不大，因為通過光子實現通用量子計算機的前景似乎不如超導系統或離子阱系統好。第二個和第三個成果意義很大，第二個成果應該是已開發的超導量子系統中實現的最多的比特數的糾纏。

量子理論對社會的意義，也體現在方方面面，具有很大獨創性，比如量子計算機可以一次分析關于天氣預報的所有數據，提供更好的模型效果，精確展示惡劣天氣在何時何地出現，從而達到預防極端天氣，拯救居民的目的。此外，量子計算機可以根據整個城市乃至整個地球上的所有人的出行計劃，計算出最優解，規劃出行路線，告別交通堵塞。并且量子計算機可以描述出數以萬億計的分子組成，快速分解辨別藥物中的有效成分，從而降低藥物研發成本和周期。除此之外，量子計算機可以更廣泛地處理望遠鏡中的數據信息，從而發現更多的行星，探索更廣袤的太空，快速識別存在的生命體，用以進一步的探究。量子計算機的一系列成就不僅是量子科技領域的突破，更讓這一陌生名詞逐步進入大眾視野，輔助相關領域的探究，使其普遍化、實用化、多元化。量子理論的實驗成果也會帶動其他物質如光子、電子的探尋進程，并提供基礎、先進的保障，從而實現整個科技圈的革命。

即使量子計算機已研制成功，其普及性和實用性還很欠缺，因為它們的運行條件要符合三點，即真空環境、絕對零度和磁場保護。除了對環境要求嚴苛，量子計算機在實際推廣宣傳方面也遇到一些障礙。由于量子計算機計算方法與經典計算機算法完全不同，因此編程方式也完全不同，并且會更加復雜。這意味著對程序員來說，要掌握一套比現有算法更為復雜的編程方式。此外，量子計算機也存在很多技術問題，比如量子的不穩定性，決定了信息狀態的不穩定性，這會影響到計算的準確性。

總體來看，這也是一種信心，將來量子計算的發展還需要整個社會進行更大的投資，這意味著不僅是國家，也需要社會資本的參與，甚至是大公司的參與。這樣才能出現像CQC、Apple這樣走在前沿的創業公司以及像JQI這樣的量子計算研究中心，像Google、IBM、Microsoft里一樣的領先研究組，使中國不至于在信息大時代落后他國，并能保持住目前的優勢，持續深遠地發展下去。

量子計算機盡管存在諸多問題，但我們已經實現了一個小目標，這是一個好的開端，提高了中國在國際領域的綜合軟實力，擁有了進一步開發的資本。一個國家的發展，經濟與政治固然重要，但文化與科技作為民眾日益增長的精神需求，正在綜合國力中占據越來越大的比重。文化與科技輸出成為現有國家正在實施的戰略手段。我國也需警覺這一點，提高重視程度，加大投資力度，同時提高教育質量，培養新一代有志有能力的青少年，鼓勵科技創新與科技成果，創造良好的科研環境，提供更多的科研機會，比如創辦更多的研究所，從娃娃抓起，舉辦各年齡段的創新大賽、科技競賽。提高民眾參與度，個人能力得到鍛煉，視野得到開闊，增強信心與興趣，以投入到后續的挖掘探索工作中。另外，應該有更多國際交流借鑒的機會，在溝通中實現雙贏，增強普及性，畢竟振興中華，與有榮焉。

關于量子科技的全面發展，需要官方與個人的協同作用。政府應該出臺更優質的政策與資金支持鼓勵大眾，個人需要提高參與度，以自己的方式關注扶持此項目的發展，使其不破滅于搖籃。同時此項目也將回饋以社會更高效簡單的生活方式，更有質量的生活樂趣，更綠色環保的環境。文化科技具有反作用力，將會推動經濟、政治的鞏固與發展，從而實現祖國的偉大復興。

參考文獻：

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