你不知道的量子计算
吴冰冰 2018-05-29 人民邮电报
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随着人类社会对信息处理的需求越来越高,以半导体大规模集成电路为基础的经典计算在性能提升方面面临瓶颈,无法突破量子效应的挑战。量子计算是量子力学与计算机科学相结合的一种新型计算方式,以微观粒子构成的量子比特为基本单元,具有量子叠加、纠缠和相干特性,通过量子态的受控演化实现信息编码和计算存储,具有经典计算无法比拟的巨大信息携带量和超强并行计算处理能力。此外,量子计算随着量子比特位数的增加,计算存储能力还将呈现出指数级的规模拓展。

物理实现方案竞争激烈

量子计算理论从20世纪80年代开始创立,经过初期的理论研究和实验探索,在物理实现、量子编码、量子算法和计算模型等方面取得了大量研究成果。但从总体上来看,目前量子计算仍处于基础理论研究和原型产品研发验证阶段,而物理实现方案竞争激烈成为一大特点。

目前,量子计算的物理实现方案竞争十分激烈。找到相干时间长、易集成和可扩展的物理硬件体系是量子计算的实现基础与关键。目前,量子计算的物理实现有超导、离子阱、半导体、钻石空位、光、核磁共振、冷原子等不同技术路线,每种路线各有优缺点。

就现阶段实验操控技术水平而言,超导和离子阱体系处于领先地位。其中,超导体系势头更盛,赢得了IBM、谷歌等科技巨头的青睐。

IBM物理学家在早期就曾提出实现量子计算机的物理体系,必须满足数条DiVincenzo判据,如可扩展的具有良好特性的量子比特系统、能制备量子比特到某个基态、具有足够长相干时间完成量子逻辑门操作、能够实现一套通用量子逻辑门、能够测量量子比特等。然而,目前尚没有任何一种体系能够在试验中同时满足上述所有判据。与此相应,有专家预测,未来的量子计算机可能基于混合体系。

多项关键技术待突破

除了物理实现方案之外,包括量子编码、量子算法和计算模式等在内的多项量子计算的关键技术也有待进一步突破。

量子编码是大规模量子计算的实现基础,但目前实现的代价仍然较大。量子编码以消耗更多量子比特资源为代价来克服退相干效应。由于量子态不可克隆、不可测量、错误自由度大等,量子编码的实现比经典编码更为复杂。1995年,Shor提出第一个量子纠错码9位码,目前发展至7位和5位码,即用7个或5个物理比特编码1个逻辑比特。不同纠错方式对应不同的容错阈值。通常来说阈值越低,所需要的量子比特资源就越多。

量子算法则面临着数量有限、核心算法创新困难的挑战。20世纪90年代中期,美国科学家提出可应用于公钥密码体系破解的量子Shor大数分解算法和可应用于数据库搜索的量子Grover算法,大大激发了量子计算的研究热情,这两类算法已成为构造其他量子算法的重要基础。然而,由于量子计算特殊的运行方式,经典算法的设计思路无法直接移植,且目前可用的量子工具仍然较少,具有核心作用的量子算法相对匮乏,不能在处理所有问题上均取得优势,适用范围有限。

量子计算模型和体系结构均与经典计算存在差异。量子计算的数学模型基础是20世纪80年代定义的“量子图灵机”。目前,量子线路模型是主流方向,量子绝热和拓扑模型亦是研究热点。同时,由于量子态叠加、纠缠、不可复制、相干保存时间短等特点,通用量子计算机的体系结构将不同于经典计算机,设计更为复杂,技术选择目前尚不明朗。

欧美科技巨头竞相布局

欧美等发达国家在政府的支持下,科技产业巨头大力投入量子计算技术研究,取得一系列重要成果并建立了领先优势。

以美国加州大学、马里兰大学、荷兰代尔夫特理工大学和英国牛津大学等为代表的研究机构基于超导、离子阱和半导体等不同技术路线,展开了量子计算机原理样机试制与试验验证。目前,业界通常用“纠缠量子比特位数量”来表征量子芯片的计算能力,量子纠缠的制备与操控会随着量子比特位数量的增加而呈指数级的难度增加。

与此同时,美国科技产业巨头大举进军量子计算研究领域,成为推动量子计算机研发加速并走向实际应用的重要力量。

谷歌与加州大学合作布局超导量子计算,2016年即实现了9位超导量子比特的高精度操控,并购买了初创企业D-Wave公司的量子退火机,探索人工智能领域。

微软布局基于“任意子”方案的拓扑量子计算,并注重模拟器等软件领域的同步开发。

Intel同时开展半导体和超导方案,2017年10月推出了17位量子比特的超导芯片。

IBM在2016年上线了全球首例量子计算云平台。目前,IBM Q处理器已升级至16/17位量子比特。2017年11月,IBM宣布基于超导方案实现了20位量子比特的量子计算。

值得注意的是,量子计算的初创企业也发展迅速。以D-Wave、IonQ、Rigetti Computing、1QBit为代表的初创企业各具特色,涵盖硬件、软件、云平台等环节,而这些企业又以美国企业居多。

中国积极跟进

我国近年来开始加大对量子计算的重视程度并积极跟进,在科研布局和企业投入方面取得一定成果。

以中科大、浙江大学和清华大学等为代表的研究机构在量子计算原理试验和样机研制等方面取得一定研究成果。2017年,中科大和浙江大学联合宣布基于超导量子计算方案实现了10位量子比特的纠缠操控。同年,中科大还发布了基于波色子采样的光量子计算机研究成果。

在产业布局方面,互联网企业成为“领头羊”。除了阿里巴巴联合中国科学院在2015年设立“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”外,腾讯也正在筹备建立量子实验室。2017年9月,中科大成立了国内首个量子计算初创企业——合肥本源量子计算科技有限公司,计划在量子计算芯片、测控系统、软件等方面进行研发。2017年10月,清华大学、阿里巴巴和本源量子各自发布了基于不同物理实现方案的量子计算云平台。

整体而言,我国在量子计算领域虽已取得一定成绩,但在投入力度、团队数量、创新成果、方案种类和指标方面仍落后于美国。

困难重重但前景可期

客观来看,量子计算发展面临着重重困难,但是广阔的前景令人期待。

量子计算的发展面临技术、模式、资金的多重挑战。首先,技术挑战是量子计算目前发展面临的最严峻问题。实现量子计算最困难的地方在于量子系统的脆弱性,如何克服退相干带来的系列困难以及如何提高量子系统的可靠性和可扩展性。其次,量子计算属于交叉学科,需要同时对量子力学、计算机科学等基础理论有充分理解,因而需要多方面学者专家通力协作,不同学科和机构间的合作交流有待加强。最后,量子计算对资金投入水平和持续性要求较高,需长期探索。

尽管挑战颇多,但量子计算的成长速度较快,前景可期。

目前,量子计算处于技术理论验证和原理样机研发攻关的关键阶段,可行性不断提高,技术竞争方案不断明朗,后续的应用研究也将进一步加速,预计专用量子计算机可能会率先获得应用。

在与经典计算的关系上,在未来相当长的时间内,量子计算都无法完全取代经典计算,两者将相辅相成。量子计算目前只能解决部分经典计算不能或难以解决的问题,并非在所有问题的解决上都优于经典计算,且量子计算机的复杂操控仍需要经典计算机辅助。尽管量子计算规模目前还很小,但成长速度较快,前景可期,其发展与应用将为基础科学研究、新型材料和生物药品开发、人工智能等众多领域带来深远影响。

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