量子計(jì)算，霸權(quán)之爭

孫杰賢

谷歌公司日前聲稱打造出能夠超越當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)能力的量子計(jì)算機(jī)，并宣稱是全球首次實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

谷歌這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)有多強(qiáng)？它用了200 秒完成一個(gè)計(jì)算，而同樣的計(jì)算用當(dāng)今最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)執(zhí)行，需要約一萬年。

量子計(jì)算如此強(qiáng)大，讓人不僅聯(lián)想起前不久國內(nèi)有教育機(jī)構(gòu)推出了神奇的“量子波動(dòng)速讀”法，號(hào)稱學(xué)生的“翻書式”閱讀速度至少可達(dá)2萬字每分鐘，而普通人的平均閱讀速度每分鐘只有500字。

當(dāng)然，前者是科學(xué)，后者是炒作。

言歸正傳。量子計(jì)算為何如此強(qiáng)悍？根據(jù)相關(guān)專業(yè)解讀：量子比特可以制備在兩個(gè)邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，它可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1。考慮一個(gè) N個(gè)物理比特的存儲(chǔ)器，若它是經(jīng)典存儲(chǔ)器，則它只能存儲(chǔ)2的N次方個(gè)可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任一個(gè)。若它是量子存儲(chǔ)器，則它可以同時(shí)存儲(chǔ)2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)。由于數(shù)學(xué)操作可以同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器中全部的數(shù)據(jù)進(jìn)行，因此，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)施一次的運(yùn)算中可以對(duì)2的N次方個(gè)輸入數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。其效果相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)要重復(fù)實(shí)施2的N次方次操作，或者采用2的N次方個(gè)不同處理器實(shí)行并行操作。這便是量子計(jì)算和傳統(tǒng)計(jì)算的巨大差距所在。

什么量子比特、量子糾纏、量子疊加、量子算法，都過于專業(yè)和技術(shù)，我們只需記住一點(diǎn)：量子計(jì)算是對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算的徹底顛覆。量子計(jì)算成熟之時(shí)，就是傳統(tǒng)IT體系崩塌之日。

谷歌在量子計(jì)算領(lǐng)域的投入已經(jīng)持續(xù)了13年的時(shí)間。當(dāng)初之所以押注量子計(jì)算，是因?yàn)楣雀柘嘈牛孔佑?jì)算可以加速解決一些世界上最緊迫的問題，從氣候變化到疾病預(yù)防與治療。除了谷歌，IBM和INTEL這些IT巨頭也對(duì)量子計(jì)算進(jìn)行了跟蹤與研發(fā)。

IBM今年1月曾在美國拉斯維加斯消費(fèi)電子展上展示了20量子比特的“IBM Q系統(tǒng)1”。雖然其量子比特的數(shù)量不及業(yè)界此前發(fā)布的一些設(shè)備，但它具有表現(xiàn)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等特性，實(shí)用性大為增強(qiáng)，被IBM稱為可“商用”的量子計(jì)算機(jī)。9月，IBM又宣布推出迄今為止最強(qiáng)大的一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，可操作53個(gè)量子比特，也是該公司的第14臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，我們經(jīng)常聽到一個(gè)術(shù)語是文章開始提到的“量子霸權(quán)“。量子霸權(quán)，也叫量子優(yōu)勢，即在未來的某個(gè)時(shí)刻，功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾乎不可能完成的任務(wù)。量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)也意味著量子計(jì)算技術(shù)的成熟，量子計(jì)算技術(shù)的商用也便指日可待。

所以，量子霸權(quán)之爭也就是未來數(shù)字世界之爭。著名的量子計(jì)算專家，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉曾將量子計(jì)算技術(shù)比喻成和平時(shí)代的核武器。

為此，美國眾多科學(xué)機(jī)構(gòu)敦促國會(huì)盡快制定一項(xiàng)為量子研究和教育工作提供資金的戰(zhàn)略計(jì)劃后，美國眾議院立法者很快就有所動(dòng)作——其科學(xué)委員會(huì)將就一項(xiàng)新的長達(dá)10年的國家量子計(jì)劃（NQI）提出法案，而白宮也計(jì)劃正式啟動(dòng)新的領(lǐng)導(dǎo)小組，以指導(dǎo)聯(lián)邦政府在量子科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)有的作用，以確保“美國在量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位”。IBM投入30億美元研發(fā)量子計(jì)算等下一代芯片，谷歌的投入更是巨大，而微軟公司也與多所大學(xué)共建量子實(shí)驗(yàn)室。

歐盟從2018年開始，投入10億歐元實(shí)施“量子旗艦”計(jì)劃。英國在牛津大學(xué)等高校建立量子研究中心，投入約2.5億美元培養(yǎng)人才。荷蘭向代爾夫特理工大學(xué)投資1.4億美元研究量子計(jì)算。

日本計(jì)劃未來10年內(nèi)在量子計(jì)算領(lǐng)域投資3.6億美元。加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學(xué)的量子研究。澳大利亞政府、銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學(xué)成立量子計(jì)算公司。

在量子計(jì)算研究發(fā)領(lǐng)域，我國是后來者，但進(jìn)展迅速，并且在多個(gè)技術(shù)分支上取得領(lǐng)先優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國量子科研論文發(fā)表量排名全球第一、專利應(yīng)用排名第二。可以說，在“第二次量子革命”的起步階段，我國已經(jīng)進(jìn)入世界“第一陣營”。

2017年，中國科技大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊(duì)宣稱成功構(gòu)建出世界上第一臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)，而且在全球首次實(shí)現(xiàn)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱，為我國邁入量子計(jì)算時(shí)代奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

同年，世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與地面率先成功實(shí)現(xiàn)“千公里級(jí)”的星地雙向量子糾纏和密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)。2018年1月，中國科技大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理所以及微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、國家空間科學(xué)中心等單位利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在中國和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)距離達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。

前不久，由中科院物理所、中科院自動(dòng)化所、浙江大學(xué)以及北京計(jì)算科學(xué)研究中心等機(jī)構(gòu)所組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)宣稱開發(fā)出了一款具有20個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的量子芯片。這款量子芯片成功地實(shí)現(xiàn)了全局糾纏，并且刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄。表明我國在量子計(jì)算的研究道路上又邁進(jìn)了一大步。

根據(jù)相關(guān)研究報(bào)告，隨著各個(gè)國家不斷投資量子計(jì)算領(lǐng)域的研究活動(dòng)，以及它們對(duì)量子計(jì)算商業(yè)化的關(guān)注，全球量子計(jì)算預(yù)計(jì)將成指數(shù)增長，達(dá)到30.9%。預(yù)計(jì)到2025年底全球范圍內(nèi)將采用和量子計(jì)算技術(shù)，收入有可能超過230億美元。但是，中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長潘建偉認(rèn)為，通用量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)可能至少需要10年甚至更長的時(shí)間。