国防科普加油站（8）：量子计算机：超算领域的超级“特长生

2020年12月，一台名“九章”的量子计算机原型机在我国问世，其处理特定问题的计算速度，比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，被誉为“量子计算优越性”里程碑式的突破。该研究在《科学》刊发后引起极大关注，其超强计算性能让人惊叹不已。那么，量子到底是一种怎样的存在，量子计算的优越性能又是如何实现的呢？

假设如此多娇，引无数科学家竟折腰

说来你也许不信，量子的诞生源于一个假设。1900年12月14日，德国物理学家普朗克提出一个著名的假设：“量子是光场能量的最小单元”。即原子吸收或发射能量是一份一份进行的，不是喝牛奶那样连续不断地“喝”，而是像吃米粒，一粒一粒地“吃”，每个米粒就是食物的最小单位。量子就是这个能量“米粒”。

这个惊世骇俗的假设，直接颠覆了牛顿等科学家建立起来的经典物理观，因为传统意义上的物质状态是连续的、确定的。1905年，爱因斯坦依据这个假设提出“光量子”概念，并解释了光电效应。1924年德布罗意提出“波粒二象性”设想，使物质世界里的波与粒子不再泾渭分明。紧接着，薛定谔沿着物质波概念确立了“量子波动方程”，为量子状态变化找到了基本遵循。

如果你对上述描述如同“雾里看花”，不明就里，这很正常。因为 “如果谁不为量子论感到困惑，那他就没有理解量子论!”这是“量子论”奠基人之一玻尔的一句名言，也是量子的魅力所在。

尽管“想说爱你不容易”，但量子的科学光芒却引得无数科学家“竟折腰”。在量子科技发展史上，镌刻着普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、波恩、泡利、狄拉克等一大批科学巨匠的名字。检索历年诺贝尔物理学奖获得者名单可以发现，他们近半都和量子研究相关。

几代科学家历经百余年锲而不舍的探索，推动着量子科技不断取得突破，展示出无穷的魅力和应用前景。量子科技最大特点在于，它可以突破现有信息技术的物理极限，在信息处理速度、信息容量、信息安全、信息检测精度等方面均能够发挥极大作用，进而显著提升人类获取、传输和处理信息的能力，为未来信息社会的演进和发展提供强劲动力。当前，人类对量子科技的研究与应用主要包括量子计算、量子通信、量子传感和测量等领域，量子计算则有望成为未来几乎所有科技领域加速发展的“新引擎”。

突破极限，量子计算应运而生

当今世界，计算能力最强莫过于超级计算机，以天河二号超级计算机为例，目前它的峰值计算速度已接近每秒约10亿亿次，为人类解决面临的一系列复杂问题提供高效计算手段。从执行计算过程看，超级计算机与普通计算机一样，都是二进制位比特为基本单元，将任意有两个稳定物理状态的系统，用状态0和1进行编码，利用基本逻辑门构造复杂和具有特定功能的逻辑电路，进而实现高效的计算过程。

计算机中的逻辑门由晶体管组成，芯片中晶体管集成度的提高基本遵循“摩尔定律”，即芯片上可容纳的晶体管数大约18个月增加一倍。目前芯片加工工艺已经演进到5纳米制程。在更小尺寸工艺中，晶体管中将不可避免出现量子隧穿效应，此时芯片中编码的比特将按照量子力学规律运行，不再遵从经典力学规律，此时摩尔定律就失效了，计算能力也到达极限。这时，人类必须寻找新的技术手段来推动信息技术进一步发展。

1981年，诺贝尔奖得主、美国物理学家费曼首次提出“量子计算”这一概念，并创造出一个“利用量子计算机来模拟量子物理世界”的巧妙方法，由此开启了研究量子计算机和量子信息技术等领域的新篇章。此后，世界上的大批科学家向量子计算机发起冲锋，短短10多年间，量子计算机的算法研究取得显著进步，进一步坚定了科学家们发展量子计算机的信心和勇气。

进入新世纪，随着量子计算软硬件研究的不断突破，量子计算机原型机相继问世。2011年，加拿大D-Wave公司发布了全球第一款商用型量子计算机，2016 年，IBM公司发布了6量子比特的可编程量子计算机。2019年，谷歌公司宣布利用53个量子比特的超导量子计算机实现了量子优越性，即“量子霸权”。同年，国防科技大学联合国内相关科研机构，提出了量子计算模拟的新算法，并在天河二号超级计算机上成功进行了量子霸权测试。2020年10月，霍尼韦尔推出量子体积为128的新一代离子阱量子计算机。2020年12月，中国科技大学研制成功了76个光子的量子计算机原型机。

超算领域的超级“特长生”

量子计算是一种基于量子力学原理、颠覆式的计算模式。由于量子力学态具有经典物理态没有的量子相干叠加、量子纠缠等特性，以量子纠缠态作为信息载体，利用其线性迭加原理进行并行计算的量子计算机，就具有了比超级计算机更强的计算能力。那么，它的优越计算性能是如何实现呢？

简单地说，在量子计算机中，编码信息的载体是量子比特，它可以通过电子的自旋态、光子的偏振态、原子内部状态等量子化的状态来实现。由于量子态拥有叠加特性，使得量子比特既可以处于0态或1态，也可以同时处在0态和1态，即所谓的叠加态。如果有两个量子比特，那么，量子系统态就可以处在“00、01、10、11”四个态的叠加态中，它可以同时存储4个数据。如果推广到n个比特系统中，则量子比特系统可以同时存储2的n次方个数据或2的n次方个二进制数，而超级计算机中的比特系统却最多只能存储n个数据。也就是说，量子存储器的存储能力随比特数指数增加，当n很大时（如n=250），量子存储器能够存储的数据量，比宇宙中所有原子的数目还要多得多。

这种量子态叠加特性，为量子信息的大规模并行处理奠定了物理基础。从理论上讲，对量子计算机中处于全纠缠的n个量子比特进行一次操作，它相当于对2的n次方个数据同时进行数学运算，而超级计算机则要重复进行2的n次方次操作。这就是量子计算能实现指数级加速运算的奥妙。

当然，实现指数级加速运算，还需要有相应的量子算法提供支撑，即如何利用量子叠加态和量子纠缠态，加速计算问题的求解速度。从目前问世的量子计算机来看，它只有在处理特定问题时候，拥有比超级计算机更强的计算能力。如谷歌推出的超导量子计算机，执行的计算任务是随机量子线路采样，而我国研制的“九章”量子计算机原型机则是“玻色采样”。这些都经过精心设计、最能发挥其计算潜力的计算任务，只是为了证明量子计算机的超强计算能力，并无实用价值。因此，它只能算是超算领域的超级“特长生”，目前还不能“毕业”。

有关专家分析，真正实用的量子计算机需要有成千上万个量子比特的计算系统、实现对量子位的高精度操控，这对于研制具有实用性的量子计算机而言，可谓任重而道远。

潜力无限，应用前景无与伦比

量子从诞生至今，已走过百余年发展历程，量子科技的发展直接催生了现代信息技术，核能、半导体晶体管、激光、核磁共振、高温超导材料等纷纷问世，改变了人类的生产和生活。随着量子计算机的问世，又打开了量子信息技术应用的一扇大门，已成为世界大国争夺“人类终极计算能力”的制高点。

作为一项颠覆性技术，量子计算在化学反应计算、药物开发、密码分析、信息安全、人工智能等领域，显现出无限的应用前景。据国外研究机构分析，以目前超级计算机的运算处理能力，破解一个秘钥长度为2048位的密码，也需要计算80年。如果对他们研制的量子计算机进行系统优化，运用其改进的舒尔(Shor)算法，则可在8小时内进行因子分解，对世界各国基于RSA加密系统的安全性构成极大挑战。当然，有矛就有盾，确保信息领域安全，也可运用量子计算机研发无法破解的加密算法，利用量子态迭加与未知量子态不能精确复制等特点，研发出无法破译的量子密码，做到防患于未然。

在新药研发方面，量子计算可以极大地扩展人类对药物分子结构和特性进行模拟的能力，如利用量子计算机的快速数据处理能力评估分子、蛋白质和化学物质之间的相互作用，大大加快新药研发。在情报数据分析处理、精确气象预报、智慧城市建设等方面，也是量子计算能大显身手的用武之地，可运用它超强运算能力与速度，处理海量情报数据和复杂气象信息资料，甚至可几秒钟时间内计算出1个月后的准确天气预报。未来的智慧交通要同时计算几十万辆车的即时出行路线，这是经典计算机很难实现的，而量子计算机在理论上容易实现这个计算。

尽管量子计算机还没有发展到实用阶段，但现代科学技术的进步将极大推动量子计算相关科学研究和产业的发展，对人类未来的生产生活和军事变革产生广泛而深刻的影响。(王握文、欧保全)