量子計算機研發(fā)20年 剛進入它的“電子管時代”

雖然無數(shù)次聽過量子計算機的大名，但就像所有帶“量子”兩字的概念，人們大多不甚了然。

量子計算機的概念1980年代提出，投入研發(fā)20年，迄今還沒有一臺真正走出實驗室。但傳說它(將來會)很厲害。谷歌、IBM、阿里巴巴和許多初創(chuàng)公司在競爭，想第一個實現(xiàn)“量子霸權”，也就是讓量子計算機在一個計算任務中快過傳統(tǒng)計算機。

粗淺了解一點量子計算機的原理后，你會發(fā)現(xiàn)其實它和我們熟知的電腦差不了多少。

量子計算機：量子版的計算機

“別把量子計算機想成全新的系統(tǒng)，它就是經(jīng)典計算機的擴展版，處處模仿經(jīng)典計算機。”安徽問天量子科技股份有限公司首席科學家、中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室韓正甫教授告訴科技日報記者。

韓正甫說，經(jīng)典計算機以電壓高低代表數(shù)字1或0，即為一比特(bit)。

而量子計算機里對應的是量子比特(Q-bit)，那可能是自旋箭頭向上或向下的一個電子，也可能是“立直振動”或“躺平振動”的光波……

傳統(tǒng)計算電路由各種“邏輯門”組成，對應的就是量子計算機的各種“量子邏輯門”。都是根據(jù)一定的規(guī)則，變化存儲位的0和1。

韓正甫說：“傳統(tǒng)計算機是這么玩的：一排存儲位寫進去一個初值(比如10011001)。接下來若干步操作，每一步存儲器里邊的數(shù)都變換成另外一組數(shù)。走完程序停下來，把里面的數(shù)讀出來，比如00101010，就是計算結果。”量子計算機同樣如此。

量子計算機不同之處，是丘比特(Q-bit)特別靈活，沒bit那么死板。它同時是0和1。比如：它是六成的0和四成的1。這讓它有了超能力。學過一點量子力學才能理解Q-bit的奧妙。

模糊又精確的Q-bit

什么叫“它是六成的0和四成的1”呢？

補習一下高中物理：20世紀初的實驗發(fā)現(xiàn)，物質細小到極限，就無法被準確測量。因為測量意味著干涉，哪怕你只看一眼。當對象微小到了量子級別，它的狀態(tài)會被觀測徹底破壞。(順便一說，“一觸即潰”的效應被用于量子通信。用量子來承載密碼，可以做到有人竊聽這個密碼信號，一定會被發(fā)覺。)這就叫“測不準原理”。東西越小，就越顯得模糊。你去測量一個電子的位置，這次測出來在北京，下次測出來在天津。我們只能說一個量子“大概率在北京”，“大概率自旋箭頭沖上”，“大概率平躺著振動”……

這些概率，是可以多次測量確定的，雖然單次測量的讀數(shù)不一定。

所以量子比特是模糊的也是精確的：同一個數(shù)時而讀出0，時而讀出1；但多次去讀，出現(xiàn)0的概率會趨于一個定值，比如說60%。

為什么量子計算更快？

“在傳統(tǒng)計算機里，一個高電壓疊加另一個高電壓，仍然是一個高電壓；量子比特的疊加則不同。”韓正甫說。

量子比特存儲的是一個矢量，就好像一個時鐘，時針對應著概率。

時針可以指向零點(量子比特讀數(shù)100%是0)，或指向三點(讀數(shù)100%是1)?；蛑赶蛞稽c半(50%是0，50%是1)，或指向任意一個角度。

傳統(tǒng)計算機存儲的是“10011001”。

量子計算機存儲的是“鐘鐘鐘鐘鐘鐘鐘鐘”。(請自行想象酒店大堂掛的一排鐘表)

傳統(tǒng)計算中，1和0疊加為1，再疊加一個1，得到0。

量子計算中，“三點”和“零點”疊加為“一點半”，再疊加“三點”，得到的是“兩點一刻”。

比起bit，Q-bit更有表現(xiàn)力。一個Q-bit可蘊含無限復雜的數(shù)字。在這個意義上“以一抵多”。一個Q-bit投入變換，等于多位數(shù)字一起變換，即所謂“并行計算”。

并行計算潛力發(fā)揮到極限的情況下，量子計算機的算力比起傳統(tǒng)計算機，是2^n∶1。

但要強調(diào)的是： 量子計算機的結果來自概率統(tǒng)計。量子計算機與傳統(tǒng)不同，它要一次次重復程序，一次次地讀數(shù)(每次結果都不一樣)。周而復始，足夠多次(讓概率的可信度超過99.99999%)后，統(tǒng)計出各量子位為1和0的比例，那才是需要的數(shù)字。所以碰上不太復雜的計算任務，量子計算可能比經(jīng)典計算機更慢。

彩虹與斑馬

有量子計算機之前，數(shù)學家就在暢想利用量子比特的“豐富內(nèi)涵”大大縮減計算時間。不過迄今數(shù)學家只證明在兩種場景中，量子計算大大快于傳統(tǒng)計算機。

首先是破解RSA算法。RSA是現(xiàn)在最常用的加密方法，其機理是利用因數(shù)分解的困難——把兩個大質數(shù)相乘很簡單，而把乘積拆成兩個質數(shù)，計算機可能得算幾萬年。

所以銀行可以公開發(fā)送一個幾千位的數(shù)字，并掌握它的兩個質因數(shù)，而不擔心有人算出這兩個質因數(shù)——用于制造私有的數(shù)字鑰匙。

但二十多年前Peter Shor證明一種基于量子計算機的算法，可以輕松分解因數(shù)，這也讓學界研發(fā)量子計算機的興趣大增。

另一種可能的應用是“搜尋未排序的大數(shù)據(jù)庫”，或者叫“大海撈針”。傳統(tǒng)計算機只能一個一個比對目標，而量子計算機則可以并行計算。傳統(tǒng)計算機用時是T的話，量子計算機用時是“根號T”。前者要花費1百萬小時的任務，后者一千小時就能解決。

除了以上兩類計算，量子計算機還被寄希望于未來在化學、制藥等領域大發(fā)神威。理由是：不同于傳統(tǒng)計算機，量子計算機是真正的模擬計算機，可以重現(xiàn)真實的自然(物理學家費曼第一個指出這點)。

傳統(tǒng)比特的0和1相當于黑白兩色，量子比特的“可以指向任何角度的時針”就相當于全彩色譜，可顯示出任何一種顏色。

如果說傳統(tǒng)的存儲器是斑馬，量子存儲器里就是彩虹。世界是多彩的，用彩虹去描繪世界，當然更直接，更便捷。

才剛起步

量子很脆弱，動不動就會崩潰。

“要將信息編碼在一個非常微小的東西上去，比如一個電子，或一個原子核，都首先要把它孤立開來，讓它跟周邊不作用。這種細微的控制是很難的。”韓正甫說。

各種量子載體都伴隨著獨特的困難，比如光子時刻前進，電磁場又左右不了它，操控起來很麻煩。目前研究者大概在實驗幾十種載體：電子、光子、陷阱里的離子……

韓正甫說：“隸屬中科大的中科院量子信息重點實驗室，現(xiàn)在正副教授就有50多人，在讀的博士生有150人，博士后近30位，一個團隊里有很多不同的組，研究的事情雖然互相可以理解，但術業(yè)有專攻，比如‘做硅’的就會去研究曝光、清洗等等半導體行業(yè)關心的工藝；‘做光’的研究激光發(fā)生器、振蕩器、光纖之類。”

“國內(nèi)從1980年代初開始量子光學研究。現(xiàn)在多了不少人，但還是個冷門。專業(yè)人才稀缺。”韓正甫說，“其實全世界人才都不夠。所以谷歌花了幾億美元從加州大學圣芭芭拉分校挖了一個團隊過來，主要研究超導量子計算機。”

目前各大公司和研究機構仍在提升量子比特量——爭取幾十個量子同時穩(wěn)定，別太快塌陷。超導機器為了讓環(huán)境接近絕對零度，成本高達成百上千萬美元。工程實驗機在進步，但幾時走到實用還不知道。

回顧1946年第一臺計算機ENIAC，用了18000個電子管，那是一種抽成真空電子飛行其中的玻璃管。ENIAC重30噸，每秒鐘僅計算5000次。沒有十多年后的半導體革命，就談不上今天的電腦和手機。

應該說，量子計算機剛進入它的“電子管時代”。