量子十問之六：量子計算，這可是一個顛覆性的新技術

量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息、運行的是量子算法時，它就是量子計算機?，F在或許還無法準確預測“量子計算機時代”何時到來，但在科學家看來，已經沒有什么原理性的困難可以阻擋這種革命性、顛覆性產品的誕生。

　　量子計算機研制

　　以半導體芯片為核心的計算機的發(fā)明成就了現代信息技術產業(yè)（硬件、軟件、網絡、通信等）的高速發(fā)展，深刻改變了人類的社會活動形式，甚至是國防安全和國家核心競爭力。半導體集成電路芯片幾十年以來一直沿著“摩爾定律”發(fā)展，單位芯片上晶體管數目越來越多，集成度越來越高。

　　截止到目前，集成電路芯片制造工藝處于14&10nm技術代量產階段，更小尺寸的技術代（7nm和5nm）處于研發(fā)階段。在可預見的未來將達到控制電子的物理極限，當單個晶體管縮小到只能容納一個或幾個電子時，就會出現單電子晶體管（量子點），量子隧穿效應將不可避免的影響電子元器件的正常工作。盡管科研人員正在努力通過各種手段進一步延續(xù)晶體管的制程尺寸并同時開發(fā)多核芯片技術，但相關技術只能在有限范圍內優(yōu)化傳統芯片性能，無法阻止“摩爾定律”必將被打破的歷史趨勢。

　　集成電路芯片

　　當現代計算機芯片在經典物理領域內無法進一步提升結構性能時，可以研究探索有別于當前計算機架構的新型結構和多核芯片，或者研究量子力學規(guī)律開發(fā)量子計算。新型結構需要拋棄當前計算機所遵循的馮·諾依曼架構，而量子計算則需要改變現有半導體芯片的基本結構，利用量子疊加和量子糾纏來實現邏輯運算。國際半導體技術發(fā)展路線圖認為多核芯片等技術只能短期延續(xù)摩爾定律，中長期必然要發(fā)展以量子物理為基礎的量子計算等顛覆性、革命性新型器件來超越摩爾定律，信息的量子化趨勢將不可避免。量子計算是芯片尺寸突破經典物理極限的必然產物，是后摩爾時代具有標志性的技術。

　　對于現代計算機而言，通過控制晶體管電壓的高低電平，從而決定一個數據到底是“1”還是“0”，采用“1”或“0”的二進制數據模式，俗稱經典比特，其在工作時將所有數據排列為一個比特序列，對其進行串行處理。而量子計算機使用的是量子比特，量子計算機能秒殺傳統計算機得益于兩個獨特的量子效應：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能夠讓一個量子比特同時具備0和1的兩種狀態(tài)，量子糾纏能讓一個量子比特與空間上獨立的其他量子比特共享自身狀態(tài)，創(chuàng)造出一種超級疊加，實現量子并行計算，其計算能力可隨著量子比特位數的增加呈指數增長。理論上，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”，擁有300個量子比特的量子計算機就能支持比宇宙中原子數量更多的并行計算，量子計算機能夠將某些經典計算機需要數萬年來處理的復雜問題的運行時間縮短至幾秒鐘。這一特性讓量子計算機擁有超強的計算能力，為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規(guī)模計算難題提供了解決方案，并可揭示高溫超導、量子霍爾效應等復雜物理機制，為先進材料制造和新能源開發(fā)等奠定科學基礎。

　　量子計算機工作原理

　　此外，量子計算的信息處理過程是幺正變換，幺正變換的可逆性使得量子信息處理過程中的能耗較低，能夠從原理上解決現代信息處理的另一個關鍵技術--高能耗的問題。因此，量子計算技術是后摩爾時代的必然產物。

　　量子計算技術不僅能克服現代半導體工藝因為尺寸減小而引起的熱耗效應，還能利用量子效應實現功能強大的并行計算，極大地提高計算速度和信息處理能力。規(guī)?；ㄓ昧孔佑嬎銠C的誕生將極大地滿足現代信息的需求，在海量信息處理、重大科學問題研究等方面產生巨大影響，甚至對國家的國際地位、經濟發(fā)展、科技進步、國防軍事和信息安全等領域發(fā)揮關鍵性作用。

　　（一）國家影響力

　　信息是當今世界最為重要的戰(zhàn)略資源，計算機技術是現代信息技術的核心，信息處理能力是信息時代的基本生產力，是國家的核心競爭力，體現國家綜合實力的重要標志。二戰(zhàn)結束以來，美國一直占據超級計算機研發(fā)的尖端，最初主要用于計算導彈彈道以及核武器模擬計算等軍事活動當中，后來逐步應用到科研、產品研發(fā)、金融等各個領域。隨后，計算機和互聯網技術在美國迅速發(fā)展壯大，并在世界范圍內擴展和加速全球化進程，美國在此過程中積累了其強大的國際影響力。量子計算科技革命給了我國一個從經典信息技術時代的跟蹤者、模仿者轉變?yōu)槲磥硇畔⒓夹g的引領者的、不可錯過的偉大機遇。量子計算技術是一種顛覆性技術，關系到一個國家未來發(fā)展的基礎計算能力，一旦形成突破，會使掌握這種能力的國家迅速建立起全方位戰(zhàn)略優(yōu)勢，引領量子信息時代的國際發(fā)展。

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　　量子計算機能克服現代計算機發(fā)展所遇到的能耗和量子效應問題，從而擺脫半導體行業(yè)面臨的摩爾定律失效的困境，同時突破經典極限，利用量子加速、并行特性解決經典計算機難以處理的相關問題。作為現代計算機的顛覆者，未來量子計算機會像經典計算機一樣形成龐大的技術產業(yè)鏈，在國民經濟生活中產生重大影響。其突破必將為信息和材料等科學技術的發(fā)展開辟廣闊的空間，成為后摩爾時代和后化石能源時代人類生活的技術依托。量子計算機的研制必將帶動包括材料，信息，技術，能源等一大批產業(yè)的飛躍式發(fā)展。量子計算機強大的并行計算和模擬能力，將為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規(guī)模計算難題提供了解決方案，從而為提高國家整體經濟競爭力創(chuàng)造條件。

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　　過去50年以來，半導體及信息行業(yè)的技術發(fā)展經歷過數次突破，從處理器的運算速度到存儲器容量，再到網絡帶寬，每一次突破之后都能帶來巨大的社會進步。目前，海量數據處理已成為急需攻克的壁壘。當前計算機處理海量數據的能力非常薄弱，傳統計算機已經遠遠無法滿足信息量爆炸式增長的需求，迫切需要從原理上突破超大信息容量和超快運算速度的瓶頸，而量子計算機正好能有效滿足這一需求。量子計算機在科學研究領域具有廣泛應用前景。學術界認為，在量子計算機達到大規(guī)模應用的比特數之前，將首先用于對量子體系的模擬。量子計算機利用其特殊的量子力學原理，將為強關聯等物理學提供完美的檢驗平臺。同時量子計算對于生物制藥、機器學習、人工智能領域將產生深遠影響，并對提高國家科技影響力起到積極作用。

　　（四）軍事影響力

　　量子物理與計算科學第一次大規(guī)模結合的直接原因就是研制核心武器的需求。在計算技術的發(fā)展歷程中，軍事應用價值始終是其重要推動力之一。量子計算機的強大功能應用到國防建設時，其強大的運算、搜索、處理能力，將為未來武器研發(fā)提供計算、模擬平臺，縮短研發(fā)周期，提高武器研發(fā)效率。還將在未來戰(zhàn)場上破譯加密密文，為及時高效準確的情報和戰(zhàn)況分析提供技術支撐，提升作戰(zhàn)能力，同時在戰(zhàn)場計劃、組織決策、后勤保障等方面發(fā)揮巨大作用，甚至有可能改變未來戰(zhàn)爭的形態(tài)，掌握其核心技術能夠極大地增強國防綜合實力。

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　　量子計算機最受關注的重要應用之一是破譯現代密碼體系。理論研究表明，目前使用的RSA公開密鑰體系在量子計算機面前將不堪一擊。構建于基于經典保密系統之上的安全體系將變得無秘可言。此外，量子計算對于信息安全的威脅還具有前溯性，如果現在的通信網絡流量遭到竊聽并被存儲下來，未來潛在的對手利用量子計算能力，就能對這些通常加密的信息進行破解，從而在多年以后將威脅范圍追溯到當前。量子計算機的研制已經成為國際社會關注的焦點，其對國家安全體系的重大意義不言而喻。

　　量子計算機縱然有無比強大的顛覆性功能，然而通用量子計算機的研制過程是相當復雜的。研制量子計算機的關鍵在于量子比特的制備。量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環(huán)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于比太空更加寒冷的密封極低溫環(huán)境中，防止受到其他環(huán)境因素的干擾。量子比特的制備方式存在多種方案，經過近二十年的發(fā)展，國際主流研究集中到了超導量子比特、半導體量子點、囚禁離子、鉆石空位和拓撲量子比特等。

　　由于量子計算對于國家安全及經濟發(fā)展的巨大影響，世界各國政府持續(xù)高強度資助量子計算機的研制。毫無疑問，美國在量子計算機研制上是國際最領先的，并且有著完整的布局。雖然量子計算研究的進展低于十年前的預期，但還是讓人們看到了突破可集成化量子計算機技術瓶頸的希望。特別當量子比特的保真度突破了容錯量子計算的閾值，使得一些基本量子算法得到演示。這些巨大的成就吸引了一些國際商業(yè)機構和政府部門的極大關注。

　　量子計算機研制已經進入一個十分關鍵的時刻，國際上超大計算機、信息企業(yè)都投入巨大人力、物力來研制量子計算機。主要包括：2012年微軟研究院（美國）成立了量子體系結構與計算研究組，主要的目標是實現量子計算機軟件體系結構,包括量子程序設計語言及編譯系統。2013年谷歌公司與美國國家航空航天局（NASA）聯合成立了量子人工智能實驗室，研究如何將量子計算機應用于大數據分析與機器學習。2014年9月2日谷歌宣布美國UCSB大學的Martinis教授研究組加入谷歌公司研發(fā)量子計算機處理器。2014年IBM宣布耗資30億美元研發(fā)下一代芯片（五年計劃），主要是量子計算與神經計算。2015年世界最大的芯片制造商Intel公司宣布投入巨資與荷蘭代爾夫特理工大學合作研發(fā)基于硅量子點的量子計算機，并于近日開發(fā)出了將量子計算機需要的超純硅附著在傳統微電子工業(yè)標準晶圓上的技術，以期搶占半導體量子計算機研制的制高點。2015年5月，全球最大的國防工業(yè)企業(yè)洛克希德.馬丁(LockheedMartin)與馬里蘭大學合作研發(fā)集成量子計算平臺。2016年5月4日IBM公司發(fā)布了5個量子比特的量子計算云服務。2016年8月4日馬里蘭大學與美國國家標準與技術研究院（NIST）發(fā)布5個量子比特的可編程量子計算機。美、日、歐等發(fā)達國家在前期已經投入大量研發(fā)資金之后，2016年4月歐盟又宣布于2018年啟動總額10億歐元的量子技術項目，促進包括通用量子計算機等在內的多項量子技術的發(fā)展。同月，澳大利亞政府宣布在澳大利亞量子計算與通信技術中心成立量子計算實驗室，進一步集中對半導體硅基量子芯片等研究加大投入，以期搶占半導體量子計算的制高點。

　　我國政府也很重視量子信息技術的發(fā)展，在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中將“量子調控研究”列為四個重大科學研究計劃之一，給予量子信息技術穩(wěn)定的研究支持，做出了一系列創(chuàng)新性研究成果，在某些方面已經處于國際領先地位，特別是基于量子物理的新型量子保密通信技術已逐步邁向實用化產業(yè)化。

　　然而實用化量子計算機的研制是一個系統工程，既要以量子物理為基礎進行量子計算模型的原理性創(chuàng)新，又要從材料體系，結構工藝，系統構架和軟件控制等工程技術創(chuàng)新和積累，我國在現代工藝技術上的基礎薄弱，在核心電子器件、高端通用芯片、基礎軟件、極大規(guī)模集成電路制造裝備等長期落后，也導致我國量子計算的研究大都局限于原理驗證性和演示性層面，缺乏系統深入的實驗平臺和以實用化量子計算機為目標的研究隊伍。特別是在可擴展的固態(tài)量子比特研究體系上，國內只有中國科學技術大學、南京大學、清華大學、浙江大學和中國科學院物理研究所等少數單位開展相關研究。雖然經過近幾年不懈努力，我們在半導體量子點和超導量子比特研究中取得了一系列重大突破，在某些方面達到了世界一流水平，但是與國際領先水平還有差距，特別是在人力和物力方面的投入與歐美國家相比還遠遠不足。

　　量子計算機的研制需要物理、材料、信息和計算機科學等多學科的緊密協調和結合，從而實現從大規(guī)模器件的制備向微電子工程方面邁進。通用量子計算機的研制還有很長的路需要走，量子計算機的研制將伴隨著經典計算的發(fā)展一起前進，相信隨著量子比特的保真度達到容錯量子計算的閾值，量子計算機的研究已經從實驗室階段向工程技術化階段邁進，越來越多的研究單位和大型公司企業(yè)將進入，從而加速可實用化通用量子計算機研制的進程。從先進的發(fā)展模式而言，各大公司與研究機構合作研制量子計算機是集科研機構、公司、政府部門等于一體的研發(fā)模式，這可能是未來推進量子計算機研制的一種有效模式。（中國科學院量子信息重點實驗室）

　　轉自：C114通信網

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