1900年，普朗克在論文里首次提出了能量的不連續(xù)性，一腳踢開了量子力學(xué)的大門。在量子世界里，所有物質(zhì)都可以被還原成61種基本粒子。其中最重的基本粒子，質(zhì)量也不超過3．1×10＾－25千克。

20世紀(jì)40年代，圖靈精確定義了算法的含義，并描述了我們現(xiàn)在所稱的圖靈機(jī)（Turing machine）：可以執(zhí)行任何算法的單一通用可編程計(jì)算設(shè)備。此后，計(jì)算機(jī)逐漸發(fā)展成為了一個(gè)產(chǎn)業(yè)，并深刻改變了我們的生活。

1981 年，著名物理學(xué)家費(fèi)曼觀察到基于圖靈模型的普通計(jì)算機(jī)在模擬量子力學(xué)系統(tǒng)時(shí)遇到的諸多困難，進(jìn)而提出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子系統(tǒng)的設(shè)想。當(dāng)量子物理與計(jì)算機(jī)器狹路相逢，1985年，通用量子計(jì)算機(jī)概念終于誕生。

自此，量子力學(xué)進(jìn)入了快速轉(zhuǎn)化為真正的社會(huì)技術(shù)的進(jìn)程，人類在量子計(jì)算應(yīng)用發(fā)展的道路上行進(jìn)的速度也越來越快。如今，量子計(jì)算離我們已不再遙遠(yuǎn)。

從經(jīng)典計(jì)算到量子計(jì)算

通常來說，量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，它與現(xiàn)有計(jì)算模式完全不同。在理解量子計(jì)算的概念時(shí)，通常將它與經(jīng)典計(jì)算相比較。

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，信息的基本單位是位（Bit）。所有這些計(jì)算機(jī)所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式，以及 0s 和 1s 的簡單操作。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)由比特構(gòu)成的方式類似，量子計(jì)算機(jī)由量子比特（quantum bits）或量子位（qubits）構(gòu)成，一個(gè)量子比特對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)（state）。但是，比特的狀態(tài)是一個(gè)數(shù)字（0 或 1），而量子比特的狀態(tài)是一個(gè)向量。更具體地說，量子位的狀態(tài)是二維向量空間中的向量。這個(gè)向量空間稱為狀態(tài)空間。

經(jīng)典計(jì)算使用二進(jìn)制的數(shù)字電子方式進(jìn)行運(yùn)算，而二進(jìn)制總是處于0或1的確定狀態(tài)。于是，量子計(jì)算借助量子力學(xué)的疊加特性，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算狀態(tài)的疊加。即不僅包含0和1，還包含0和1同時(shí)存在的疊加態(tài)（superposition）。

普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器一次只能存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11中的一個(gè)），而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子比特寄存器可以同時(shí)保持所有4個(gè)狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個(gè)時(shí)，量子處理器對(duì)n個(gè)量子位執(zhí)行一個(gè)操作就相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典位執(zhí)行2n個(gè)操作。

此外，加上量子糾纏的特性，量子計(jì)算機(jī)相較于當(dāng)前使用最強(qiáng)算法的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，理論上將在一些具體問題上有更快的處理速度和更強(qiáng)的處理能力。

近年來，量子計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，而有關(guān)量子計(jì)算技術(shù)的突破多與三個(gè)因素有關(guān)，即量子比特能夠維持量子態(tài)的時(shí)間長度、量子系統(tǒng)中連接在一起的量子比特的數(shù)量和對(duì)量子系統(tǒng)出錯(cuò)的把握。

量子比特能夠維持量子態(tài)的時(shí)間長度，被稱為量子比特相干時(shí)間。其維持“疊加態(tài)”（量子比特同時(shí)代表1和0）時(shí)間越長，它能夠處理的程序步驟就越多，因而可以進(jìn)行的計(jì)算就越復(fù)雜。其中，IBM率先將量子技術(shù)引入實(shí)用計(jì)算系統(tǒng)，將量子比特相干時(shí)間提高到了100微秒。而當(dāng)量子比特相干時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)時(shí)，將足以支持一臺(tái)能夠解決當(dāng)今“經(jīng)典”機(jī)器解決不了的問題的計(jì)算機(jī)。

從量子系統(tǒng)中連接在一起的量子比特的數(shù)量突破來看，2019年10月，谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54個(gè)量子位處理器Sycamore，實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。具體來說，Sycamore能夠在200秒內(nèi)完成規(guī)定操作，而相同的運(yùn)算量在當(dāng)今世界最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit上則需要1萬年才能完成。這項(xiàng)工作是人類歷史上首次在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中驗(yàn)證了量子優(yōu)越性，也被《Nature》認(rèn)為在量子計(jì)算的歷史上具有里程碑意義。

除了解決量子比特的數(shù)量問題，由于當(dāng)量子比特失去相干性時(shí)，信息就會(huì)丟失，因此量子計(jì)算技術(shù)還需要面臨如何去控制，以及如何去讀取量子比特。然后在讀取和控制達(dá)到比較高的保真度之后，去對(duì)量子系統(tǒng)做量子糾錯(cuò)的操作。

基于此，研究人員借鑒經(jīng)典計(jì)算機(jī)里面糾錯(cuò)的概念，來確保最后總的等效的量子操作，可以達(dá)到比較高的保真度，開發(fā)了所謂的量子糾錯(cuò)。當(dāng)然，現(xiàn)階段的量子糾錯(cuò)還需要突破規(guī)模的門檻，但顯然不再是遙遙無期。

量子計(jì)算有多少種可能？

量子力學(xué)是物理學(xué)中研究亞原子粒子行為的一個(gè)分支，而運(yùn)用神秘的量子力學(xué)的量子計(jì)算機(jī)，超越了經(jīng)典牛頓物理學(xué)極限的特性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的指數(shù)級(jí)增長則成為科技界長期以來的夢(mèng)想。

量子計(jì)算為未來的科技發(fā)展提供了誘人的可能性，嘗試?yán)眠@一新硬件的力量的研究人員，則主要從三個(gè)類型的問題入手。

第一類型的問題涉及到分析自然世界：以今天的計(jì)算機(jī)無法比擬的精度，用量子計(jì)算機(jī)模擬分子的行為。其中，計(jì)算化學(xué)則是最大的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。事實(shí)上，在過去兩年里，量子計(jì)算機(jī)在用越來越多的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)取代猜測(cè)方面，貢獻(xiàn)的價(jià)值已經(jīng)越來越大。

比如，模擬一種相對(duì)基礎(chǔ)的分子（如咖啡因）將需要一臺(tái)10的48次方比特的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這相當(dāng)于地球上原子數(shù)量的10％。而模擬青霉素則需要10的86次方比特——這個(gè)數(shù)字比可觀測(cè)宇宙中的原子數(shù)量總和都要大。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無法處理這種任務(wù)，但在量子領(lǐng)域，這樣的計(jì)算則成為可能。理論上，一臺(tái)有160量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以就模擬咖啡因，而模擬青霉素需要286個(gè)量子比特。這為設(shè)計(jì)新材料或者找到更好方法來處理現(xiàn)有工藝提供了更便捷的手段。

就在8 月 27 日，Google 量子研究團(tuán)隊(duì)宣布其在量子計(jì)算機(jī)上模擬了迄今最大規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)。相關(guān)成果登上了《科學(xué)》雜志的封面，題為《超導(dǎo)量子比特量子計(jì)算機(jī)的Hartree－Fock 近似模擬》（Hartree－Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）。

為了完成這項(xiàng)最新成果，研究人員使用 Sycamore 處理器，模擬了一個(gè)由兩個(gè)氮原子和兩個(gè)氫原子組成的二氮烯分子的異構(gòu)化反應(yīng)。最終，量子模擬與研究人員在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的模擬一致，驗(yàn)證了他們的工作。

值得一提的是，這項(xiàng)新研究所用的 Sycamore正是被《Nature》認(rèn)為在量子計(jì)算的歷史上具有里程碑的54個(gè)量子位處理器。盡管這種化學(xué)反應(yīng)可能相對(duì)簡單，也不是非量子計(jì)算機(jī)而不可為，但這展示了利用量子模擬開發(fā)新的化學(xué)物質(zhì)的巨大潛力。

此外，量子計(jì)算也有望為人工智能帶來更多好處。目前，針對(duì)人工智能產(chǎn)生的量子算法潛在應(yīng)用包括量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自然語言處理、交通優(yōu)化和圖像處理等。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為量子科學(xué)、信息科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)多個(gè)學(xué)科交叉形成的研究領(lǐng)域，可以利用量子計(jì)算的強(qiáng)大算力，提升神經(jīng)計(jì)算的信息處理能力。

在自然語言處理上，2020年4月，劍橋量子計(jì)算公司宣布在量子計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的自然語言處理測(cè)試獲得成功。這是全球范圍內(nèi)量子自然語言處理應(yīng)用獲得的首次成功驗(yàn)證。研究人員利用自然語言的“本征量子”結(jié)構(gòu)將帶有語法的語句轉(zhuǎn)譯為量子線路，在量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)程序處理的過程，并得到語句中問題的解答。而利用量子計(jì)算，將有望實(shí)現(xiàn)自然語言處理在“語義感知”方面的進(jìn)一步突破。

最后，則是量子計(jì)算對(duì)于復(fù)雜問題的優(yōu)化可能性，而這些復(fù)雜問題往往對(duì)于今天的計(jì)算機(jī)來說變量太多。比如，量子計(jì)算在復(fù)雜問題上的一個(gè)用途是建立更好的金融市場(chǎng)模型。通過發(fā)明新數(shù)字來加強(qiáng)加密，并提高混亂和復(fù)雜領(lǐng)域的運(yùn)營效率，例如交易清算和對(duì)賬。包括衍生品定價(jià)、投資組合優(yōu)化以及在高度復(fù)雜和不斷變化的情況下管理風(fēng)險(xiǎn)，則都是量子系統(tǒng)可以處理的事情。

跳出局限的力量

當(dāng)前，在全球范圍內(nèi)，多國政府不斷出臺(tái)支持量子信息技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略，下?lián)艽罅抠Y金用于以量子計(jì)算為主的量子信息技術(shù)研究。針對(duì)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的路徑呈現(xiàn)出多樣化，包括光學(xué)、離子阱、中性原子、核磁共振、超導(dǎo)、固態(tài)量子點(diǎn)、拓?fù)涞取?/p>

科技巨頭方面，美國Google、IBM、Intel、Microsoft、Honeywell相繼在量子計(jì)算領(lǐng)域投入布局，強(qiáng)化資金配置、工程實(shí)現(xiàn)和軟件控制等能力，積極進(jìn)行量子處理器原型產(chǎn)品及軟件算法的技術(shù)研發(fā)。

在量子處理器物理實(shí)現(xiàn)方案方面，Google和IBM均基于超導(dǎo)路線，Intel同時(shí)布局硅量子點(diǎn)和超導(dǎo)兩種路線，Microsoft則看好全新的拓?fù)渎肪€，Honeywell側(cè)重離子阱路線。

我國科技公司阿里巴巴、騰訊、百度、華為相比于美國巨頭進(jìn)入量子計(jì)算領(lǐng)域的時(shí)間相對(duì)較晚，但近年來也已通過與科研院所合作或聘請(qǐng)知名科學(xué)家等方式成立相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，在量子計(jì)算云平臺(tái)、算法、軟件和應(yīng)用等方面研究布局。

盡管對(duì)于當(dāng)前來說，量子計(jì)算并不像傳統(tǒng)計(jì)算那樣具有通用性，但其作為通往一個(gè)陌生新世界的門戶來到我們面前，是一個(gè)讓我們能夠以修正的定義來看待我們當(dāng)前世界的入口。

從長遠(yuǎn)來看，在世界范圍內(nèi)的布局和發(fā)展下，量子計(jì)算將極有可能徹底消除時(shí)間障礙，成本障礙也將隨之降低。未來或?qū)⒊霈F(xiàn)全新類型的機(jī)器學(xué)習(xí)范式，但在真正像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣具有通用功能的通用量子計(jì)算機(jī)成型之前，量子計(jì)算也依然需要一段漫長的探索過程。
責(zé)編AJX