比最強超級計算機還能算 量子計算掀起全世界研究熱潮

　　量子物理學聽起來玄而又玄。在微觀領域，粒子所呈現(xiàn)出的異于經典理論的量子現(xiàn)象至今仍困擾著物理學家。與此同時，各個領域的科學家們也正在合作，嘗試著利用量子世界中的一些特點建造出能力遠超電子計算機的量子計算機。人類對于量子計算的研究起步較晚，想要取得任何進展更是不易，需要在多個領域之間相互配合進行系統(tǒng)工程研究，但量子計算目前所展現(xiàn)的潛力已經使這個領域的研究成為人類科技發(fā)展的焦點之一。

　　為什么全世界都會研究量子計算?

　　電子計算機早已成為人們日常生活的必備電器。在各種各樣的功能之下，電子計算機是通過由半導體材料制成的各種邏輯器件作為最基礎的計算單元，現(xiàn)實世界中的一切信息都被轉換為電子計算機中的“0”和“1”兩種信號進行存儲和運算。但樹可以長高，卻終不能抵天，研究者們正在榨取半導體材料最后的潛力，電子計算機的發(fā)展正面臨各種瓶頸。

　　那么，人類是否可能制造出一種能力遠超電子計算機的機器?科學家們發(fā)現(xiàn)，在微觀世界中物質的存在方式和運動規(guī)律都與人們所熟悉的經典世界完全不同，其中最奇特也最令人無法理解的，就是微觀粒子的“量子態(tài)”(superposition)，即一個微觀粒子可以同時存在于多個不同的位置或者同時具有“0”和“1”兩種狀態(tài)，另外微觀粒子之間可能還會形成“量子糾纏”(quantumentanglement)，兩個無論相隔多遠的粒子的狀態(tài)都會隨時相互影響。

　　受到量子特性的啟發(fā)，1994年，麻省理工學院的科學家彼得·秀爾(Peter Shor)提出了著名的“秀爾算法”(Shor’s algorithm)，解決了建造量子計算機的理論問題，從此引發(fā)了全世界量子計算的研究熱潮。

　　量子計算機與經典計算機黑盒

　　·量子計算的研究突破：秀爾算法的實現(xiàn)

　　相比于電子計算機的發(fā)展歷程，量子計算機的研究進展并不算順利，原因就在于微觀粒子的量子態(tài)非常難以維持和測量。想要利用微觀粒子的量子態(tài)和相互糾纏現(xiàn)象實現(xiàn)“量子比特”，可以同時具有“0”和“1”兩個數(shù)值，進而制造出“量子邏輯門”，這非常不容易。因為，研究者們需要把量子計算機的工作環(huán)境，始終維持在接近絕對零度的低溫狀態(tài)。

　　量子計算機內部

　　在2001年，IBM公司的一個研究小組首先通過實驗實現(xiàn)了秀爾算法，各家公司和實驗室緊隨其后，用各種方式實現(xiàn)更復雜的秀爾算法。

　　量子計算的研究的一切都需要由最底端從零開始，想要有所發(fā)展更是需要常年堅持不懈的堅持努力。一方面，人類對于量子計算機的前景寄予厚望——因為可以同時擁有多個狀態(tài)，在理論上，量子計算機的計算能力隨著量子位數(shù)量的提升將會呈指數(shù)形式上升，量子位數(shù)越高，計算能力越強，誤差也越小;另一方面，因為量子態(tài)極難維持和探測，至今為止人類開發(fā)的大多數(shù)量子計算機都還處于起步階段，與實際應用還有一段距離。

　　但有一點毋庸置疑，量子計算機強大的計算能力一旦投入實際應用，人類眾多的科研領域都有可能在短時間內取得巨大的突破，同時還會刺激諸如納米加工技術和軟件系統(tǒng)等一系列相關產業(yè)的發(fā)展。

　　不過，IBM公司進行量子計算研究的科學家杰瑞·周(Jerry Chow)介紹，因為其超強的性能遠超日常需求，并且需要維持在極低的溫度下進行工作，量子計算機在未來或許不會像電子計算機一樣在大眾中間普及和流行，但用戶可以通過使用智能終端來使用量子計算機提供的云服務。

　　·應用場景的突破：量子計算的巨大想象空間

　　目前，人工智能領域的發(fā)展還需要依賴電子計算機相對薄弱的計算能力，這使得一些人工智能系統(tǒng)——包括IBM Watson系統(tǒng)——都受到自身計算能力的限制，無法產生足夠的數(shù)據(jù)進行分析。

　　在傳統(tǒng)的計算模式中，想要獲得問題的最優(yōu)解，計算機需要把所有的可能性都計算一遍，耗時問題顯而易見。量子計算則可以利用量子疊加態(tài)，一次性完成所有計算，并從中舉出最優(yōu)方案。

　　量子計算對當前計算能力實現(xiàn)了指數(shù)級的提升，量子位數(shù)越多，功能越強大。“RSA”是目前最有影響力的公鑰加密算法，它能夠抵抗到目前為止已知的絕大多數(shù)密碼攻擊。對于密級最高的1024位二進制RSA密碼，用當前最強大的計算機進行破解，需要300萬年的時間，而使用1024量子比特的量子計算機，則需要幾天的時間就可以破解。

　　IBM量子計算科學家 Hanhee Paik(左)和 Sarah Sheldon(右)展示紐約約克敦 IBM T. J. Watson 研究中心內一個打開的稀釋制冷機內的硬件。

　　我們可以做這樣形象生動的聯(lián)想：如果要普通電子計算機完成大量級的計算，相當于不斷增加一個方案解決小組的人數(shù)，而量子計算機的計算能力則在一開始就如同一尊千手千眼佛。

　　在現(xiàn)實生活中，量子計算的這一優(yōu)點突出應用于醫(yī)療領域——根據(jù)收集到的每個人的具體情況，由量子計算機支持的人工智能系統(tǒng)可以輕而易舉地提供個性化的健康狀況預測，以及相應疾病的治療方案。相較于傳統(tǒng)的計算模式，量子計算不僅得出結論更快而且誤差更小。在糧食與食品安全領域，量子計算機同樣被給予厚望，達到足夠量級的量子計算機甚至能夠計算出轉基因食品對人類的潛在影響，從而指導研究人員對轉基因食品進行風險預測和DNA結構優(yōu)化。

　　量子霸權：超越現(xiàn)存最高性能計算機能力的時代

　　目前國際上有眾多機構都在進行量子計算的研究，各家機構對于量子比特的控制能力有所不同，因此實現(xiàn)量子計算的途徑也有所區(qū)別。目前IBM公司所進行的是通用量子計算機研究，對于量子比特的控制也最多和最穩(wěn)定，這使他們走在世界量子計算機研究的最前列。

　　IBM研究員薩莎·謝爾頓(SarahSheldon)和帕特·古曼(Pat Gumann)在操作量子稀釋制冷機。

　　在2017年3月，IBM公司建立了首個商用通用量子計算機平臺“IBM Q”，這標志著人類對于量子計算機的研究達到了一個全新的實用階段。目前平均每一天都有數(shù)以千記的用戶通過IBM Q計算平臺，利用這款17量子位的處理器進行超過30萬次的計算實驗。相對于純粹的商業(yè)逐利，IBM公司更著眼于推動人類的科技進步，把量子計算的的概念向整個人類社會進行普及，使IBM Q平臺成為人類進行量子計算研究的新起點。

　　2000年前，古代中國人發(fā)明了珠算。1642年，法國數(shù)學家帕斯卡采用與鐘表類似的齒輪傳動裝置，制成了最早的十進制加法器。1946年，美國賓夕法尼亞大學莫爾學院制成的大型電子數(shù)字積分計算機(ENIAC)，后經多次改進而成為能進行各種科學計算的通用計算機。這就是人們常常提到的世界上第一臺電子計算機。

　　今天，數(shù)據(jù)正在成為社會的基礎資源，強大的運算能力將實現(xiàn)人們更多的夢想。量子計算機應運而生，并逐步走出實驗室，服務于現(xiàn)實生活，醫(yī)療健康、食品安全、材料科學、金融、保險，甚至時尚創(chuàng)意等行業(yè)都是未來量子計算機著力發(fā)展的方向。包括IBM在內的多家量子計算領域投入研發(fā)的公司，都宣稱未來還將逐漸增加計算芯片的量子位數(shù)，根據(jù)目前科學家的測算，50個量子位的處理器，其計算能力將超越現(xiàn)在地球上最強勁的超級計算機，這必將再一次深刻改變人類社會的發(fā)展。