【人民日报】量子计算—— 强大算力广阔前景（开卷知新）

【人民日报】量子计算—— 强大算力广阔前景（开卷知新）        
   

图为我国自主研发的超导量子计算机“悟源”。 郭光灿供图 制图：赵偲汝

核心阅读
量子世界的特性，如叠加性、量子纠缠等，是量子计算机优越性能的物理根源。量子计算不仅具有加速运算的功能，而且可以将某些在电子计算机上难解的问题变换为可解的问题。
当前量子计算机正处在“专用机”阶段。尽管如此，将量子专用机与电子超级计算机相结合，采用量子—经典混合算法，依然可以大大提升运算速度，起到量子赋能的效果。这也正是相当长一段时间内，量子计算机走向实用的主流做法。
量子计算正逐步应用到网络信息安全、大数据和人工智能、化学生物制药、金融工程、智能制造等领域，将在国防建设和国民经济发展中发挥巨大作用。
近年来，随着量子信息学的发展，“量子”成为人们津津乐道的话题，甚至被披上神秘的面纱。只有客观认识量子世界，才能科学地将对量子世界的认知应用到人类生活中。
客观地说，量子信息技术时代尚未到来。决定其到来时间的关键要素之一，是量子计算。只有当通用量子计算机得到广泛应用时，我们才能说人类社会已经进入量子信息技术时代。
量子计算的算力指数级超越电子计算
目前，我们将物理世界分为两类：凡是遵从经典物理学的物理客体所构成的物理世界，称为经典世界；遵从量子力学的物理客体所构成的物理世界，称为量子世界。这两个物理世界有着截然不同的特性，前者每个时刻的状态和物理量都是确定的，后者则都是不确定的。今天人们常用的电子计算机遵从经典物理定律运行，而量子计算机则是源于量子力学的量子器件，其工作原理遵从量子力学。
具体来说，在经典物理中，物理量在某一个时刻具有确定值，因此信息单元要么是0要么是1，称为比特。这是电子计算机信息处理的单元。电子芯片中的晶体管，通电流状态代表1，不通代表0。而量子物理具有一个特征，就是不确定性，即某一个时刻物理客体的物理量不具有确定值。因此，和经典物理的信息单元不同，量子信息单元不是0或1，而是表征0的状态和表征1的状态的叠加，称为量子比特。每一个量子比特表征两个经典数据。
量子比特的物理载体也不是晶体管，而是同时具有两种状态的物理客体，如电子的自旋、光子的偏振、两能级的原子等。量子比特就是两种状态的叠加态。量子比特的状态不同，就表示它所表征的信息不相同。设想电子芯片有n个比特，由于每个比特具有确定值，因此它存储一个经典数据；而含有N个量子比特的量子芯片，由于每个量子比特表征两个经典数据，因此n个量子比特的量子芯片就存储了2n个经典数据。可见，正是量子的不确定性使得其存储数据的能力是电子芯片的2n倍。
计算机操作实际上是对芯片所存储数据的改变，电子计算机和量子计算机的操作大大不同。前者每操作一次，只能改变一个数据，运算过程是一个一个数据的改变，称为串行运算。后者每操作一次，可能将量子芯片中存储的2n个经典数据同时变换成2n个新数据。这就是量子计算机具有并行运算能力的物理基础。
量子计算机处理某个函数的速度取决于量子算法。应用量子纠缠可以开发出有效的量子算法，将量子计算机并行运算能力体现在实际的信息处理过程中，使量子计算机的算法以指数级增长超越电子计算机。量子世界的特性，如叠加性、量子纠缠等，是量子计算机优越性能的物理根源。量子计算不仅具有加速运算的功能，而且可以将某些在电子计算机上难解的问题（如大数因子分解）变换为可解的问题。可以说，量子计算机的算力之于电子计算机，好比电子计算机的算力之于旧时的算盘。
量子计算技术正逐步走向行业应用
我们知道从算盘时代发展到当今的电子计算机时代，人类社会发生了翻天覆地的变化，一旦从电子计算机过渡到量子计算机时代，人类社会又将再次经历巨大变化。当前，量子计算正逐步应用到网络信息安全、大数据和人工智能、化学生物制药、金融工程、智能制造等领域，将在国防建设和国民经济发展中发挥巨大作用。
认识到量子计算对人类社会的巨大影响，当前许多国家都在开展量子计算研究。2016年，全球首个量子计算在线平台公布。这一平台搭载5个量子比特的量子处理器，可供全世界用户使用，有大约30万人通过“云方式”体验量子计算。2019年，全球首套商用量子计算机（20个量子比特）推出，目前已有30多台商用产品供使用。同年，使用53个量子比特的量子处理器出现：在伪随机量子采样任务中，量子计算机用了大约200秒的时间完成运行，而当时最强的超级计算机需1万年才能完成相应任务。我国清华大学与浙江大学成功合作研制出121个量子比特的超导量子计算机。2022年则出现了当下最强的量子计算机，拥有433个量子比特。
如今，量子计算机研制和应用已经成为各国战略竞争焦点之一，量子计算技术正走出实验室，走向行业应用。据统计，全球有100多家量子计算公司，量子计算发展呈现一派蓬勃景象。在我国，近年来一些量子计算机构相继成立，取得的发明专利数不断攀升，24量子比特、64量子比特等商用量子计算机陆续问世，国产量子操作系统以及量子操控装置研制成功，推动着量子计算机在我国的工程化应用。
量子计算机是宏观的量子器件，环境不可避免地会破坏量子特性，导致量子计算机丧失并行运算能力，这种“消相干”是量子计算机研制和应用的主要障碍。科学家提出“容错纠错编码原理”，理论上解决了这个难题，但由于人类尚未掌握精确的量子操控能力，因此实际技术难以做到。目前所使用的量子计算机，实际上是含有噪声的中等规模专用机。人类最终目标是成功研制通用量子计算机，为此量子比特应达到百万级，而且需要采用“容错纠错”技术。这大约还要10年以上的时间才能实现。
当前量子计算机正处在“专用机”阶段。尽管如此，将量子专用机与电子超级计算机相结合，采用量子—经典混合算法，依然可以大大提升运算速度，起到量子赋能的效果。这也正是相当长一段时间内，量子计算机走向实用的主流做法。期待我国在不断使用中提升量子专用机的性能，形成“研制—使用”的良好发展生态。这需要我们准确分析量子计算软硬件技术的研发和应用前景，科学合理制定整体发展战略，明确近期、中长期目标，分阶段投入并考核，以推动量子计算机更好更快发展，助力我国社会主义现代化建设。
（作者为中国科学院院士、中国科学技术大学教授）

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期待10年以后量子通用计算机的面世！