量子計算機(jī)研發(fā)20年 剛進(jìn)入它的“電子管時代”

雖然無數(shù)次聽過量子計算機(jī)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(jī)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(quán)”，也就是讓量子計算機(jī)在一個計算任務(wù)中快過傳統(tǒng)計算機(jī)。

粗淺了解一點量子計算機(jī)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(jī)：量子版的計算機(jī)

“別把量子計算機(jī)想成全新的系統(tǒng)，它就是經(jīng)典計算機(jī)的擴(kuò)展版，處處模仿經(jīng)典計算機(jī)。”安徽問天量子科技股份有限公司首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jī)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(jī)里對應(yīng)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(yīng)的就是量子計算機(jī)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(jī)是這么玩的：一排存儲位寫進(jìn)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(jié)果。”量子計算機(jī)同樣如此。

量子計算機(jī)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(xué)過一點量子力學(xué)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(bǔ)習(xí)一下高中物理：20世紀(jì)初的實驗發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)細(xì)小到極限，就無法被準(zhǔn)確測量。因為測量意味著干涉，哪怕你只看一眼。當(dāng)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(yīng)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(zhǔn)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(jī)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(yīng)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(jī)存儲的是“10011001”。

量子計算機(jī)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(fù)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(jī)的算力比起傳統(tǒng)計算機(jī)，是2^n∶1。

但要強(qiáng)調(diào)的是： 量子計算機(jī)的結(jié)果來自概率統(tǒng)計。量子計算機(jī)與傳統(tǒng)不同，它要一次次重復(fù)程序，一次次地讀數(shù)(每次結(jié)果都不一樣)。周而復(fù)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(fù)雜的計算任務(wù)，量子計算可能比經(jīng)典計算機(jī)更慢。

彩虹與斑馬

有量子計算機(jī)之前，數(shù)學(xué)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(xué)家只證明在兩種場景中，量子計算大大快于傳統(tǒng)計算機(jī)。

首先是破解RSA算法。RSA是現(xiàn)在最常用的加密方法，其機(jī)理是利用因數(shù)分解的困難——把兩個大質(zhì)數(shù)相乘很簡單，而把乘積拆成兩個質(zhì)數(shù)，計算機(jī)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(zhì)因數(shù)，而不擔(dān)心有人算出這兩個質(zhì)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(jī)的算法，可以輕松分解因數(shù)，這也讓學(xué)界研發(fā)量子計算機(jī)的興趣大增。

另一種可能的應(yīng)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(jī)只能一個一個比對目標(biāo)，而量子計算機(jī)則可以并行計算。傳統(tǒng)計算機(jī)用時是T的話，量子計算機(jī)用時是“根號T”。前者要花費1百萬小時的任務(wù)，后者一千小時就能解決。

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

傳統(tǒng)比特的0和1相當(dāng)于黑白兩色，量子比特的“可以指向任何角度的時針”就相當(dāng)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(dāng)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(xì)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(jìn)，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(tuán)隊里有很多不同的組，研究的事情雖然互相可以理解，但術(shù)業(yè)有專攻，比如‘做硅’的就會去研究曝光、清洗等等半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)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(xué)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(xué)圣芭芭拉分校挖了一個團(tuán)隊過來，主要研究超導(dǎo)量子計算機(jī)。”

目前各大公司和研究機(jī)構(gòu)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(dǎo)機(jī)器為了讓環(huán)境接近絕對零度，成本高達(dá)成百上千萬美元。工程實驗機(jī)在進(jìn)步，但幾時走到實用還不知道。

回顧1946年第一臺計算機(jī)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(dǎo)體革命，就談不上今天的電腦和手機(jī)。

應(yīng)該說，量子計算機(jī)剛進(jìn)入它的“電子管時代”。