量子計算機：未來的計算革命|量子|科學家
D-Wave 一代計算機
連日來，加拿大D-Wave系統公司一台自命為「商用量子計算機」的「D-WaveⅡ」量子模擬實驗機頗為引人矚目。原來，為了一睹「D-WaveⅡ」量子計算機的真容，來自世界各地實驗室的科學家們紛紛拋出實驗方案驗證「D-WaveⅡ」的性能，並讓它與傳統超級計算機進行對比。
在對比實驗中，有科學家注意到，D-Wave量子計算機在運算中量子效應持續時間只有幾十億分之一秒。中國科學院院士、量子信息重點實驗室主任郭光燦在接受《中國科學報》記者採訪時說，量子效應持續時間極短，從一個側面說明D-Wave並不是一台真正的量子計算機，因為它「沒有體現出量子計算機並行運算的優勢」。
中科院物理研究所研究員劉伍明在接受《中國科學報》記者採訪時則表示，雖然不排除D-Wave作為商業公司有吸引眼球之虞，但仍可以看出D-Wave正在量子計算機的道路上作著大膽的嘗試，這值得我們借鑒。
實際上，D-Wave公司「商用量子計算機」從落地那刻起就註定飽受科學家和媒體的熱切關注。人們不敢相信：量子計算機時代已經到來了？
量子計算機的變革
在量子世界，量子密碼是第一個可能走嚮應用的方向，而對人類影響最大的當屬量子計算機。
「在後摩爾定律時代，晶體管裡面的電子數目越來越少，達到極限之後電子的行為就不能再用摩爾定律解釋了，變成量子行為了。」郭光燦指出，從經典比特到量子比特，人類沿著這條路發展下去，將會「邂逅」量子晶元——「量子晶元構成的計算機體系就是量子計算機」。
經典計算機正遇到摩爾定律的極限，而頂破天花板的正是量子計算。「比如搜救失聯的馬航客機，並不是我們海空軍搜救能力不強，它挑戰了人類現階段的能力。如果我們有一台強大到足以處理所有海面數據和航行數據的計算機，找到MH370並非難事。」
「傳統計算機對數據的處理是串列計算，而量子計算機是並行運行，運算速度呈指數上升，這是量子計算機最顯著的特徵。」郭光燦告訴記者，並行運行有多快？「量子計算機之於傳統電子計算機的速度，就相當於電子計算機之於算盤。」 「量子計算機可以做到現在經典計算機做不到的很多事情。」郭光燦說，人類一旦製造出量子計算機，整個社會就會發生翻天覆地的變化。
「比如，我們可以把某種病毒體內的各種成分分析得清清楚楚，這樣我們就可以製造針對性很強的藥物（對付病毒）；還可以在大量數據中分析出特定信息，比如某個罪犯身上的某個特點，在茫茫人海中篩選和搜尋，利用量子計算機，很快就能鎖定目標。」
不見得量子計算機一定會取代經典計算機，但人們的確可以利用量子計算機完成現階段不可能完成的任務。
「比如我們現在還不能預報地震，這其中的原因可能是有些科學問題在地震學上還沒有解決，但至少在數據處理上，例如汶川，如果投放幾百上千甚至更多地震觀測站，在很短時間內根據觀測信息計算出地震的概率，就能給決策層提供一些線索。天氣預報也如此，我們只知道某地預計有雨雪，但我們並不確切知道是在何時、何地變天，精細預報就需要這種計算能力上的突破。」
還差一「芯」
量子計算機的前景固然光明，但要真正實現量子計算，還要解決一系列的現實困境。
要真正做出來量子計算機，需要滿足三個基本條件：量子晶元、量子編碼和量子演算法，它們分別是實現量子計算的物理系統（即硬體）、確保計算可靠性的處理系統和提高運算速度的關鍵（即軟體）。
量子計算本質性地利用了量子力學的特性，因此其實際應用的重要障礙是宏觀環境不可避免地破壞量子相干性（即所謂消相干問題），使量子計算機演變成經典計算機。若不能有效地克服消相干，即使量子晶元（硬體）做成了，量子計算機也無法實際應用。
「目前演算法已經有了大數分解的Shor演算法和數據搜索的Grover演算法，當然以後還會有更多；編碼也很重要，它保障信息不會被破壞而出錯，這一度很困擾我們，但是現在我們把這個問題解決了。」郭光燦表示，在量子編碼出現以後，量子計算機的實現原則上已不存在不可逾越的困難，但量子晶元的突破尚有待時日。
「量子計算機首先要有硬體，新一代的D-WaveⅡ號稱有512個Qubit集成計算，據說採用的是超導量子比特方案。超導需要在極低溫下實現，那麼能不能開發出新材料，比如高溫超導材料，像現在的半導體晶元一樣在室溫下就能使用？這需要一個探索過程。」劉伍明介紹說，目前中科院物理所也在超導材料上作積極嘗試。
「用什麼東西做量子晶元，做到什麼程度？我認為有1000~5000個量子處理器的晶元，電子計算機就望塵莫及了。」郭光燦說，但是要做到這個地步還很遠，所以現在人們用很多辦法來嘗試，「現在比較看好的是離子阱方案、半導體量子點方案和超導的方案」。
離子阱方案是用一個離子做處理器，然後把很多離子放在「阱」裡面，把受限離子的基態和激發態這樣一個兩能級體系作為量子比特。該方案可以達到很高的保真度，不過其微型化和集成化存在巨大的困難。
半導體量子點方案是一種「很自然」的方案，當每個晶體管最終縮小到只容納一個電子時，稱之為單電子晶體管（量子點），此時可以用單個電子的自旋向上和向下態作為量子比特。郭光燦說，「半導體量子點晶元這一方案的優勢在於完全繼承了現代微電子產業的技術和優勢，因而在大規模集成化和最終應用方面可行性更高」。
「但是要在納米領域操作一個電子的量子態很難，而要把量子態測量出來而不干擾（電子的量子態），更難。」郭光燦說，不僅如此，「後續還要把這些儀器做到晶元里去，談何容易？這是它的難度所在。」
未來戰略制高點
國際晶元巨頭Intel公司曾在其處理器外包裝上打出這樣的字眼：Intel Core Quantum：Qubit Entangled，暗示「未來半導體晶元的核心將是量子晶元」。
「美國曾計劃在10年之內做出10個量子比特的處理器晶元，這意味著屆時微電子平台做量子晶元已經靠譜了。」不僅美國，許多發達國家都意圖在量子計算機技術上搶佔制高點。
日本等國也加大了這方面的投入，不僅政府層面，一些大公司也在介入，例如日本著名的NEC株式會社。另外，微軟、IBM、貝爾實驗室在量子計算機方面也都有大手筆投入。
「公司出資意味著，他們將之視為投資行為。他們會覺得這是能夠盈利的，而我國企業在高科技投入方面還比較少。」劉伍明說。
現實的情況是，由於我國在傳統計算機晶元方面長期落後，缺乏自主知識產權，計算機晶元主要依賴進口，目前已位列所有進口產品的第一位，受制於人。
「在後摩爾時代量子計算來臨的新的歷史機遇面前，我們必須掌握核『芯』技術，在未來的量子計算時代擁有中國『芯』，從現在起就應該做好原始創新性、基礎性工作。」
《中國科學報》 (2014-04-04 第13版 科普周刊)
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