技術理論和軟硬件研發取得一系列突破

量子計算擁抱更多可能

喻思南

2020年04月08日08:48  來源:人民網-人民日報
 
原標題:量子計算擁抱更多可能

  30多年前,物理學家費曼提出利用量子構建計算系統。如今,科學家正在驗証這一設想。近日,中國計算機學會青年計算機科技論壇發起了一次線上分享會,探討量子計算機的技術發展路線和前景。

  相較傳統性能高

  分享會的主講者之一、合肥本源量子計算科技有限責任公司副總裁張輝認為,量子計算並非“玄學”,在激光、超導等領域,人們已經廣泛應用了量子的特性。不同的是,應用此前多在宏觀層面,量子計算則要在微觀層面上實現控制,這也意味著更大的難度。

  量子計算機在金融分析、藥物研究、材料制備等領域都具有很大優勢。然而與超級計算機相比,量子計算機有何特別?

  “如果用超級計算機實時規劃最優路線,極限是控制幾百輛汽車。未來的智慧交通要同時計算幾十萬輛車的出行路線,在理論上量子計算機能做到。”張輝說。

  經典計算機用0和1儲存與處理數據。量子計算機的神奇之處在於,它的基本計算單元——量子比特可以同時是0和1,即允許“疊加態”共存。這讓其擁有強大的並行計算能力。舉個例子,假如在800萬本書裡找一個單詞,經典計算機一本本地搜索,而量子計算機則分身為800萬台計算機同步搜尋。因此有人說,在量子計算機面前,現在的計算機就像算盤。

  大數分解上也是如此。曾經有科學家用1600台計算機,花了8個月的時間,成功分解了一個129位大數的質因數,如果用量子計算機可能隻需幾秒鐘的工夫。

  這一理論上的潛力,得到了令人振奮的驗証。去年1月,IBM發布了全球首款商用量子計算原型機。去年10月,谷歌公司宣稱用53位的專用量子芯片解決了一個隨機量子線路採樣的數學問題。

  進步得益於近年來量子計算工程化的推進。當前,幾乎所有發達國家都把量子計算當作未來技術制高點,國內外知名的IT公司紛紛涉足量子計算。“全球量子計算創業公司超過百家,2019年是量子計算發展高光的一年。”張輝說。

  落地應用挑戰多

  量子計算機前景遠大,但落地應用長路漫漫。

  “研發量子計算機,首先要足夠多的量子比特。”騰訊量子實驗室高級研究員鄭亞銳解釋。理論上,自然界中一切有量子效應的載體都可用作量子比特。鄭亞銳說,一般認為量子比特數量要達到100萬個,量子計算機才能走向實用。可當下,工業界還沒有實現控制100個量子比特。

  穩定性是量子計算機落地應用的另一個重要指標,這就要求較長的相干時間,以及非常高的保真度。“提高比特數量的同時,又不降低保真度是學術界聚焦的難題。”鄭亞銳提到。

  經過長期探索,科學家發現超導、離子阱、超冷原子、半導體量子點都能夠用於開發量子計算機。這些不同的體系,造就了量子計算機不同的技術實現路線。“每一個體系都有優缺點。”張輝說,半導體量子點路線操控方便,但相干時間很短﹔光學或者離子阱路線,相干時間長,但可擴展性相對差。

  目前,多數開發者選擇的是超導和半導體兩條路線,兩者的工程化、工藝化也推進較快。開發者希望借助先進的半導體、集成電路工藝,在推進量子計算機研發之時,還為未來量子計算機與經典計算機的潛在融合埋下伏筆。

  清華大學量子信息中心終身副教授金奇奐介紹說,近年來,學界對離子阱路線的基礎研究很多,但直到最近幾年,才開始有公司大規模開展離子阱量子計算機的研發。軍事科學院國防科技創新研究院研究員強曉剛認為,集成光量子芯片技術,是實現大規模可實用化光量子計算系統的重要途徑。

  從電子管到晶體管,再到集成電路,隨著材料和工藝的迭代,經典計算機性能不斷提升。“以此類比,量子計算還處在‘電子管的時代’。”張輝說,“也許某天人類突然發現一個完美材料,做出量子計算機就不再難了。”

  這顯然不是一個人能夠完成的工作。鄭亞銳呼吁,目前起步階段,企業和科研院所應該破除技術壁壘,過分強調技術保護不利於量子計算機開發。

  發展前景待探索

  信息技術的進步有時超乎人們想象。回到1946年,誰又能想到,人類首台電腦,這個重達30噸、3層樓高的龐然大物,如今可以濃縮成米粒大小。

  分享會上科學家預計,未來10至15年量子計算機有望落地應用,真正實現“量子霸權”,為未來的通用量子計算打下基礎。

  談及我國量子計算機的發展水平,張輝表示,與國際“領頭羊”有4—5年的差距。在他看來,這些差距主要不在科研,而在工程、工藝方面。量子計算機是一個整體,芯片之外,測控、軟件、算法同樣需要高度重視。“哪怕幾根導線之間微弱的干擾,都會影響整體計算性能。”張輝說。

  量子計算機會不會把經典計算機擠下舞台?分享者認為,兩者不是對抗關系,量子計算機不會全面替代經典計算機。經典計算機發展至今,已經能處理絕大部分日常任務,未來兩者應該兼容、融合。

  開發量子計算機有較高門檻。本源量子公司成立兩年來,僅硬件投入達5億—6億元,而量子計算的主營業務暫時沒有收入。本源量子創始人之一、中國科技大學教授郭國平很有信心:“量子計算就像一個山洞,我們不知道裡面有沒有寶藏,但一定要有勇氣沖進去,看看它到底長什麼樣。”

(責編:焦隆、周婉婷)

推薦閱讀