【戰略技術】美國量子計算技術發展及對策研究（之一）——量子理論和量子計算技術發展即將出現新的突破

07-21

武獲山

（知遠戰略與防務研究所網路力量研究中心助理研究員）

近十餘年來，量子計算技術無論在理論還是應用方面都取得顯著進步。研究者們普遍估計，量子計算將在不久的將來實現質的突破，並可能引發下一場科學技術革命。美國更是將量子技術視作為確保未來國家影響力而必須開拓的「新邊疆」，投入大量資源進行量子物理基礎理論及量子計算研究。儘管這些工作短期內並不可能取得的成果，但通過長期的全面布局和積極協調的推進，美國在相關研究和應用領域已經逐步呈現破局之勢，必將在未來產生深遠影響。

量子理論的產生和發展始終伴隨著不斷的質疑和爭論，其所提示的規律與人類直覺常識存在直接衝突。量子計算理論奠基者之一，著名物理學家理查德·費曼曾表示，「如果你覺得懂量子力學，那麼你就不懂量子力學」。經過一個多世紀的發展，量子理論不僅不斷在實驗中驗證其客觀性，而且展現出極其強大社會進步推動力。

（一）量子應用技術即將進入嶄新發展階段

量子理論起源於上世紀初，為解決經典物理理論無法解釋微觀世界現象的問題，著名科學家馬克斯·普朗克在1900年首先提出了「量子」概念。在此之後，大量科學家通過不懈的努力逐步建立起量子力學理論框架。儘管科學界至今仍然認為量子理論的根本性闡釋不夠完善，但是在過去的一個世紀，在量子理論基礎上發展起來的半導體微電子和光通信技術卻成為信息時代來臨的根本推動力。量子理論實際上為當代世界發展和繁榮奠定了基礎。

如果說量子理論引發了一場席捲全球的技術革命，那麼進入21世紀，這場革命將進入全新的發展階段，轉折發生的契機就是一種新型跨學科領域的誕生：量子力學和信息科學融合而成的量子信息科學。目前量子理論的應用還是僅僅局限於宏觀世界，應用的對象依然是電流和光等經典物理量，而不能直接操縱電子、光子等微觀粒子。換言之，量子理論的「外圍應用技術」不斷發展成熟，而直接利用量子世界不確定性的應用技術尚未真正出現。但隨著特定領域的經典物理技術發展達到極限，真正觸及量子理論核心的技術應用必將成為各國爭相發展的重點領域。

（二）量子效應決定著「摩爾定律」必將走向終結

近年來，現代計算機晶元中集成度的增長逐步達到極限。目前投入市場的主流晶元使用的是14納米技術，個位數納米級別晶元也已經實驗成功，即將實現工業生產和商業應用。但根據量子力學原理，傳統半導體晶體管柵極線寬的極限值約為5納米，當超出這種保持電子穩定所需結構的極限時，量子隧穿效應將不可避免地干擾電子元件的運行。儘管有研究團隊宣布通過特殊材料和手段可以在實驗室中將晶體管製程縮減到 1 納米，但此類技術只能在有限範圍內對強化傳統晶元性能，無法阻止「摩爾定律」未來必將被打破的趨勢。

當現代計算機晶元在經典物理領域內無法進一步提升結構性能時，計算技術的發展總體上存在兩條路徑：研究探索有別於當前計算機架構的新型結構，或者繼續深入研究量子力學規律並使其直接應用於計算的技術。前一種方案將拋棄當前計算機所遵循的馮·諾依曼架構，採用諸如神經元結構重新組織晶元運行方式，但是採取的依然是當前使用的CMOS晶元；後者將改變晶元的基本結構，直接利用量子疊加態實現傳統計算機功能，這種方案的前提假設是未來新型計算機依然基於數字化「邏輯門」。

無論未來高性能計算系統採取哪種方案（很有可能是二者並行發展），世界各國量子計算技術的研發競爭都不可能減弱。因為儘管存在大量嚴峻挑戰，量子計算關係著國家未來發展的基礎計算能力，根本不可能依靠外力支持發展。而量子計算技術一旦形成突破，就會產生顛覆性創新效應，使掌握這種能力的國家將迅速建立起全方位優勢。

（三）量子計算技術的巨大潛力與面臨的關鍵挑戰

量子計算系統強大性能來源於具備特殊屬性的量子比特。經典計算機的最小數據處理單位是比特，其在工作時將所有數據排列為一個比特序列，對其進行串列處理；而量子計算機使用量子比特，基於量子疊加態和量子糾纏效應，量子計算機本質上具備並行處理能力，理論上其計算能力可隨著量子比特位數的增加呈指數增長。在某些領域中，擁有50個量子比特的量子計算機性能就能超過目前世界上最先進的超級計算機「天河二號」。如果達到實際應用水平，量子計算機能夠將某些經典計算機需要數萬年處理複雜問題的運行時間縮短為幾秒鐘。

研製量子計算機的關鍵就在於量子比特的製備方式。量子比特高度不穩定，外界任何微弱的環境變化都可能對其造成破壞性影響。因此，量子計算機的核心部件通常處於比太空更加寒冷的密封環境中，防止受到其他粒子、電磁場、溫度等因素的干擾。量子比特的製備方式存在多種方案，但無論是「超導型量子邏輯門」、「離子阱量子門」還是「半導體量子點」，目前都無法製造並長時間保持高質量的量子比特，從而以一種可控制的方式對不同類型任務進行編程。但是近年來，相關研究項目的突破已經為量子計算機奠定了堅實的軟、硬體基礎，通用型量子計算機即將在不遠的將來成為現實。

（平台編輯：蔣佩華）