國(guó)內(nèi)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到什么水平？量子計(jì)算機(jī)發(fā)展前景及面臨的挑戰(zhàn)

• 2021年11月27日 WuYaNan來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 1295 85
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量子計(jì)算機(jī)的巨大潛力，還與量子力學(xué)中的另一個(gè)著名概念“量子糾纏”有關(guān)，即各個(gè)量子比特可通過(guò)量子糾纏聯(lián)系在一起。量子比特的概念雖然抽象，但量子計(jì)算機(jī)并非虛幻。建造它們的理論基礎(chǔ)已搭建好，但是要實(shí)現(xiàn)它們，還要面臨一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

量子計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)如何？目前，國(guó)內(nèi)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到什么水平？量子計(jì)算機(jī)(quantum computer)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。自1981年費(fèi)曼首次提出量子計(jì)算機(jī)的概念之后，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，谷歌、IBM以及微軟等科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)正在將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

量子計(jì)算機(jī)是什么?量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)原理構(gòu)建的計(jì)算機(jī)。量子態(tài)疊加原理使得量子計(jì)算機(jī) 每個(gè)量子比特(qubit)能夠同時(shí)表示二進(jìn)制中的 0 和 1，從而相較經(jīng)典計(jì)算機(jī)算力發(fā)生爆發(fā)式增長(zhǎng)，形成“量子優(yōu)越性”。科學(xué)家預(yù)測(cè)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)未來(lái)仍將承擔(dān)收發(fā)郵件、視頻音樂(lè)、網(wǎng)絡(luò)游戲等功能，而量子計(jì)算機(jī)則將用于解決大型分子模擬、尋找大數(shù)質(zhì)因數(shù)等經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法模擬的領(lǐng)域，并在 AI 計(jì)算領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)算力進(jìn)行提升。

量子計(jì)算機(jī)有什么用?超導(dǎo)量子比特是以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，約瑟夫森結(jié)(Josephson junction)為基本載體的量子兩能級(jí)系統(tǒng)。超導(dǎo)量子比特具有可與傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)兼容、可控性、低損耗以及可擴(kuò)展性等方面的優(yōu)勢(shì)，所以這是一種很有前景的實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的方案之一。對(duì)比經(jīng)典比特之間的邏輯運(yùn)算和計(jì)算處理，我們根據(jù)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的物理載體必須具備第三個(gè)條件可知，要實(shí)現(xiàn)可控的量子比特之間的相干性以及退相干時(shí)間，這些都是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)必要條件。

量子計(jì)算機(jī)發(fā)展前景及面臨的挑戰(zhàn)

在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，CPU 采用“串行”計(jì)算，即將一個(gè)問(wèn)題的若干部分按照順序依次進(jìn)行運(yùn)算;GPU 采用“并行”計(jì)算，即將一個(gè)問(wèn)題拆成若干個(gè)小問(wèn)題后，同時(shí)對(duì)每個(gè)小問(wèn)題的一部分進(jìn)行運(yùn)算;QPU 則利用量子疊加性快速遍歷問(wèn)題的各種可能性并找到正確答案。形象地說(shuō)，CPU 算力隨比特?cái)?shù) n 的增長(zhǎng)呈線性 n增長(zhǎng)，GPU 算力隨比特?cái)?shù) n 的增長(zhǎng)呈平方次 n×n 增長(zhǎng)，QPU 算力隨比特?cái)?shù) n 的增長(zhǎng)呈冪指數(shù) 2^n增長(zhǎng)。

量子計(jì)算機(jī)還處在早期發(fā)展的階段，倘若類比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，今天的量子計(jì)算機(jī)還處在經(jīng)典計(jì)算機(jī)的電子管時(shí)代，就連最底層的物理載體還沒(méi)有完全形成。 目前主流的技術(shù)路徑有超導(dǎo)、半導(dǎo)、離子阱、光學(xué)以及量子拓?fù)溥@五個(gè)方向。前四種路徑均已制作出物理原型機(jī)，但量子拓?fù)溥@一微軟重注的方向尚無(wú)物理層面的實(shí)現(xiàn)。

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》對(duì)攻克掌握核心技術(shù)方面作了專門部署。結(jié)合重大項(xiàng)目，對(duì)圍繞人工智能方面的計(jì)劃項(xiàng)目部署進(jìn)行了整體安排，形成“1+N”的人工智能項(xiàng)目群，包括大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能制造、機(jī)器人、量子計(jì)算、量子通信、腦科學(xué)等等。新一代人工智能重大科技項(xiàng)目，將和這些已經(jīng)安排的項(xiàng)目任務(wù)，共同形成了國(guó)家人工智能研發(fā)的總體布局。

2018年2月中科院/中科大團(tuán)隊(duì)發(fā)布量子計(jì)算云平臺(tái)最新成果-中科院聯(lián)合阿里云打造的11量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算的云平臺(tái)，這是繼IBM后全球第二家向公眾提供10量子比特以上超導(dǎo)量子計(jì)算云服務(wù)的系統(tǒng)。平臺(tái)已成功上線32比特量子虛擬機(jī)，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了64量子比特的量子電路模擬打破IBMQ的56位仿真記錄。

量子計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)

量子計(jì)算機(jī)的巨大潛力，還與量子力學(xué)中的另一個(gè)著名概念“量子糾纏”有關(guān)，即各個(gè)量子比特可通過(guò)量子糾纏聯(lián)系在一起。量子比特的概念雖然抽象，但量子計(jì)算機(jī)并非虛幻。建造它們的理論基礎(chǔ)已搭建好，但是要實(shí)現(xiàn)它們，還要面臨一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。量子比特本質(zhì)上是處于疊加態(tài)的亞原子粒子，如電子、被束縛的離子或光子。量子比特周圍環(huán)境的細(xì)微變化，比如振動(dòng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、宇宙輻射等，都可能向量子比特輸入能量，進(jìn)而使疊加態(tài)坍縮，使量子比特失效。因此，量子比特需要密封在極冷、真空環(huán)境中以最大程度地避免任何干擾。這就是量子計(jì)算機(jī)的搭建面臨的巨大挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉表示：隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái)，全球數(shù)據(jù)量每?jī)赡陼?huì)翻一番。同時(shí)，傳統(tǒng)的發(fā)展模式受到嚴(yán)重的制約，摩爾定律正在逐漸逼近極限，而超級(jí)計(jì)算機(jī)又能耗巨大。利用量子疊加原理，可以構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)，其計(jì)算能力隨著可操縱的量子比特?cái)?shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)量子力量在經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展，已經(jīng)為解決這些問(wèn)題做好了準(zhǔn)備。

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