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一片“蓝海”:量子计算机的灿烂前景
2021-06-04 10:07:05

  国防科技大学教授刘宇迪为您讲述——

  一片“蓝海”:量子计算机的灿烂前景

  蓝海,原意是指未知的市场空间,引申为科学的新兴领域。量子计算机,就是一片神秘的“蓝海”。

  它是笼罩在经典物理学天空上的一朵乌云,却催开了现代物理学的畅想之花;它是物理学概念中的最小单位,却成就了迄今为止世界上运算速度最快的计算机;它看不见、摸不着,甚至还有些不可理喻,却吸引了无数科学家为之痴迷。

  据报道,今年5月,中国科学技术大学成功研制出62比特量子计算原型机“祖冲之号”,宣告全球最大量子比特数的超导量子体系诞生。在此之前,该团队研制的“九章”光量子计算原型机,比现有最强的超级计算机运算速度快一百亿倍。

  由于量子计算机的强大算力和对国家安全、社会经济的巨大作用,量子计算机成为各国争相研究的重大课题。

  “遇事不决,量子力学”

  量子,最小的不可分割的基本物理单位。

  在大多数人眼里,量子就是神秘、玄妙的代名词——“遇事不决,量子力学;解释不通,穿越时空。”在人们的日常生活中,当遇到那些无法用常理解释的事情时,常常会“甩锅”给量子力学。

  量子,人类对未知力量想象力的“天花板”。在人类所能认识到的宇宙规律里,它似乎已成为神秘且万能的代名词。

  说它神秘,是因为它有违常理。在人们的理解中,不管什么物体,在哪里、跑多快,都是确定的、能观测出来的。但在量子的微观世界里,就会显现出它的“不靠谱”:一个量子在某一瞬间可能在这里,也可能在那里,完全随机,“不按常理出牌”。

  1935年,奥地利物理学家薛定谔提出了一个著名的思想实验:把一只猫关在一个盒子里,盒子里有毒气瓶,瓶上有一个锤子,锤子由一个放射性原子的电子开关控制。如果原子核衰变,则触动电子开关,释放毒气,猫必死无疑。根据日常经验,猫或者死或者活,只有这两种状态。可是,如果用薛定谔方程描述,只要不揭开盖子,这只猫就一直沉睡在量子的叠加态中,处在既生又死的状态。

  在量子面前,世界再也不是那个确定的、客观的、实在的熟悉世界,只有去观测量子,它才会从随机状态坍缩成某种固定状态。这种微观的不确定原理,彻底颠覆了人们的逻辑感知。

  事实上,人类对量子的研究,就是在这样的迷惑和不解中走过。100多年里,人类最智慧的头脑都被这个微小粒子所牵动:普朗克、波尔、爱因斯坦、海森堡、薛定谔、波恩、泡利、狄拉克……对于量子,科学家们有的嘲讽、有的怀疑,有的笃定。物理学家理查德·费曼曾感慨:“谁要是说他理解了量子力学,那就表明他还没理解。”但无论人们理解、支持与否,科学就是科学,量子还是量子。

  在科学面前,人类是渺小的。哪怕再智慧的头脑,也会有困惑。对于量子,爱因斯坦曾抛出世人皆知的那句话:“上帝是不掷骰子的。”波尔却反击道:“你没法告诉上帝该做什么。”

  那么“上帝”到底该做什么?或许,他也正处在“掷与不掷骰子”的叠加态。又或者,这个问题,只能交给量子力学来回答。毕竟,“遇事不决,量子力学”。

  “路转溪桥忽见”

  智者总能在时代浪潮中立起驶向未来的桅杆。

  “人类应该考虑量子计算机了!”1982年,加州理工学院的一场报告会上,物理学家费曼提出了这一简直是“天方夜谭”的论断。当时,个人电脑的概念才刚刚问世,普及大众还要再等10年。

  然而,随着计算机元器件越做越小、集成度越来越高、速度越来越快,人们在经历最佳算力的狂欢之后,才最终发现:当初的“天方夜谭”是对的——万物总有极限,元件的大小不可能一小再小。也许到2025年,传统计算机的速度提升之路将会走到尽头。

  是时候走上30多年前费曼指出的那条路了。

  宛如一程崎岖的山路,当经典物理看似走到尽头时,是量子理论在转弯处将人们引上现代物理学的大道。同样,当传统计算机遭遇算力“天花板”时,又是量子计算机让人们“路转溪桥忽见”。

  如果说经典计算机是“蜡烛”,量子计算机就是“电灯”,二者都是为了发光,但点亮方式完全不同、照亮范围也有区别。即使你不断地改良蜡烛,也不可能成为电灯。而这只“电灯”刚一问世,就发出了远超“蜡烛”的光芒。

  2019年9月,科研人员在量子计算机上运行随机量子线路采样任务,并与模拟超级计算机的计算进行对比,最终得出结论:量子计算机用时200秒完成的计算,如果用当时最强大的超级计算机计算,则需花费上万年才能完成。

  碾压的奥秘何在?如果我们让传统计算机走迷宫,它会沿着一条路一直走;如果不对,再折返回来尝试下一条,直到找到正确通路。可对于量子计算机而言,它只需走一次。因为量子叠加态的特性,量子计算机仿佛吹一根毫毛变出千万个分身的“美猴王”,它们齐头并进可一次搞定。

  可以说,不是超强算力选择了量子计算,而是量子计算在“襁褓”中就具有超强算力。

  当然,量子计算机也有自己的“小脾气”。它最大的问题,在于不够稳定。经典计算机不管算出什么结果,都可马上输出。但量子计算机无论是计算过程还是计算结果,都处于叠加态,这些数据就像一只高度敏感的刺猬,稍有风吹草动,整个量子叠加态就会马上坍缩,从而湮灭正确结果。

  “星星之火,可以燎原”

  我们可以这样理解,量子计算这一技术本身,也处于量子叠加态:既取得了阶段性重大突破,又刚刚拉开序幕。

  如今,借助量子计算机,人类可以模拟一些蛋白分子折叠情况,帮助治疗阿尔茨海默症、帕金森症等,还可从体量巨大、结构繁多的数据中心,挖掘规律、发现模式,从而找到复杂区域的最优解,找到某种材料的最稳定状态。

  今后,量子计算机在计算“可能、概率、随机”等问题时的超强算力,很有可能解决科学家在材料、制药、数学等领域的长期难题。可以预见,在个人定制药物、应对气候变化、消除交通拥堵、打造更安全的密码体系、设计新材料,甚至是寻找“另一个地球”等方面,量子计算机将成为人类最有力帮手。

  但理想越丰满,现实越“骨感”。量子计算机的研发,并非一路坦途。

  “九章”量子计算机的设计师这样形容它的操作难度:“我们需要50路光子同时通过20米的光层,每一路都要保持25纳米的精度。这相当于让50匹马一起跑过100公里,必须同时到达,且每匹马的奔跑距离都不能超过一根头发丝的误差。”

  同时,为了让量子比特保持量子特性,量子计算机需要用强力冷却装置保持绝对零度(-273℃)才能正常工作。这就使得它的造价格外昂贵。据报道,美国研发和建造一台量子计算机的前期费用,就已达100亿美元。

  而且,要想研发出通用型量子计算机,起码要上千万个量子比特。就专用量子计算机“九章”而言,仅仅有76个量子比特。人类目前的科技水平,研发通用机还有很长的路要走。

  量子计算机,这位人类的新朋友,充其量只能算作浩渺宇宙中的“几点星火”,虽有光亮,但很微弱。然而,我们坚信“星星之火,可以燎原”——通过对量子计算机的深入研究与探索,必然点燃人类通往未知世界的熊熊火炬,照亮其中隐藏的自然法则。

  量子计算机如同人类头顶那片璀璨的“蓝海”。“蓝海”很美,但通往“蓝海”的前路注定艰难;“蓝海”很远,但通往“蓝海”的航程已经开启。

  韩 雪 姚建兴 本报特约记者 王微粒

【编辑:田博群】

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