量子计算机：未来的计算革命

2014.04.04来源： 中国科学报     作者： 记者 赵广立

　　连日来，加拿大D-Wave系统公司一台自命为“商用量子计算机”的“D-WaveⅡ”量子模拟实验机颇为引人瞩目。原来，为了一睹“D-WaveⅡ”量子计算机的真容，来自世界各地实验室的科学家们纷纷抛出实验方案验证“D-WaveⅡ”的性能，并让它与传统超级计算机进行对比。

　　在对比实验中，有科学家注意到，D-Wave量子计算机在运算中量子效应持续时间只有几十亿分之一秒。中国科学院院士、量子信息重点实验室主任郭光灿在接受《中国科学报》记者采访时说，量子效应持续时间极短，从一个侧面说明D-Wave并不是一台真正的量子计算机，因为它“没有体现出量子计算机并行运算的优势”。

　　中科院物理研究所研究员刘伍明在接受《中国科学报》记者采访时则表示，虽然不排除D-Wave作为商业公司有吸引眼球之虞，但仍可以看出D-Wave正在量子计算机的道路上作着大胆的尝试，这值得我们借鉴。

　　实际上，D-Wave公司“商用量子计算机”从落地那刻起就注定饱受科学家和媒体的热切关注。人们不敢相信：量子计算机时代已经到来了？

　　量子计算机的变革

　　郭光灿告诉记者，在量子世界，量子密码是第一个可能走向应用的方向，而对人类影响最大的当属量子计算机。

　　“在后摩尔定律时代，晶体管里面的电子数目越来越少，达到极限之后电子的行为就不能再用摩尔定律解释了，变成量子行为了。”郭光灿指出，从经典比特到量子比特，人类沿着这条路发展下去，将会“邂逅”量子芯片——“量子芯片构成的计算机体系就是量子计算机”。

　　刘伍明也指出，经典计算机正遇到摩尔定律的极限，而顶破天花板的正是量子计算。“比如搜救失联的马航客机，并不是我们海空军搜救能力不强，它挑战了人类现阶段的能力。如果我们有一台强大到足以处理所有海面数据和航行数据的计算机，找到MH370并非难事。”

　　“传统计算机对数据的处理是串行计算，而量子计算机是并行运行，运算速度呈指数上升，这是量子计算机最显著的特征。”郭光灿告诉记者，并行运行有多快？“量子计算机之于传统电子计算机的速度，就相当于电子计算机之于算盘。” “量子计算机可以做到现在经典计算机做不到的很多事情。”郭光灿说，人类一旦制造出量子计算机，整个社会就会发生翻天覆地的变化。

　　郭光灿举例说：“比如，我们可以把某种病毒体内的各种成分分析得清清楚楚，这样我们就可以制造针对性很强的药物（对付病毒）；还可以在大量数据中分析出特定信息，比如某个罪犯身上的某个特点，在茫茫人海中筛选和搜寻，利用量子计算机，很快就能锁定目标。”

　　刘伍明告诉记者，不见得量子计算机一定会取代经典计算机，但人们的确可以利用量子计算机完成现阶段不可能完成的任务。

　　“比如我们现在还不能预报地震，这其中的原因可能是有些科学问题在地震学上还没有解决，但至少在数据处理上，例如汶川，如果投放几百上千甚至更多地震观测站，在很短时间内根据观测信息计算出地震的概率，就能给决策层提供一些线索。天气预报也如此，我们只知道某地预计有雨雪，但我们并不确切知道是在何时、何地变天，精细预报就需要这种计算能力上的突破。”刘伍明说。

　　还差一“芯”

　　量子计算机的前景固然光明，但要真正实现量子计算，还要解决一系列的现实困境。

　　要真正做出来量子计算机，需要满足三个基本条件：量子芯片、量子编码和量子算法，它们分别是实现量子计算的物理系统（即硬件）、确保计算可靠性的处理系统和提高运算速度的关键（即软件）。

　　量子计算本质性地利用了量子力学的特性，因此其实际应用的重要障碍是宏观环境不可避免地破坏量子相干性（即所谓消相干问题），使量子计算机演变成经典计算机。若不能有效地克服消相干，即使量子芯片（硬件）做成了，量子计算机也无法实际应用。

　　“目前算法已经有了大数分解的Shor算法和数据搜索的Grover算法，当然以后还会有更多；编码也很重要，它保障信息不会被破坏而出错，这一度很困扰我们，但是现在我们把这个问题解决了。”郭光灿表示，在量子编码出现以后，量子计算机的实现原则上已不存在不可逾越的困难，但量子芯片的突破尚有待时日。

　　“量子计算机首先要有硬件，新一代的D-WaveⅡ号称有512个Qubit集成计算，据说采用的是超导量子比特方案。超导需要在极低温下实现，那么能不能开发出新材料，比如高温超导材料，像现在的半导体芯片一样在室温下就能使用？这需要一个探索过程。”刘伍明介绍说，目前中科院物理所也在超导材料上作积极尝试。

　　“用什么东西做量子芯片，做到什么程度？我认为有1000~5000个量子处理器的芯片，电子计算机就望尘莫及了。”郭光灿说，但是要做到这个地步还很远，所以现在人们用很多办法来尝试，“现在比较看好的是离子阱方案、半导体量子点方案和超导的方案”。

　　郭光灿介绍说，离子阱方案是用一个离子做处理器，然后把很多离子放在“阱”里面，把受限离子的基态和激发态这样一个两能级体系作为量子比特。该方案可以达到很高的保真度，不过其微型化和集成化存在巨大的困难。

　　半导体量子点方案是一种“很自然”的方案，当每个晶体管最终缩小到只容纳一个电子时，称之为单电子晶体管（量子点），此时可以用单个电子的自旋向上和向下态作为量子比特。郭光灿说，“半导体量子点芯片这一方案的优势在于完全继承了现代微电子产业的技术和优势，因而在大规模集成化和最终应用方面可行性更高”。

　　“但是要在纳米领域操作一个电子的量子态很难，而要把量子态测量出来而不干扰（电子的量子态），更难。”郭光灿说，不仅如此，“后续还要把这些仪器做到芯片里去，谈何容易？这是它的难度所在。”

　　未来战略制高点

　　国际芯片巨头Intel公司曾在其处理器外包装上打出这样的字眼：Intel Core Quantum：Qubit Entangled，暗示“未来半导体芯片的核心将是量子芯片”。

　　“美国曾计划在10年之内做出10个量子比特的处理器芯片，这意味着届时微电子平台做量子芯片已经靠谱了。”郭光灿说，不仅美国，许多发达国家都意图在量子计算机技术上抢占制高点。

　　刘伍明告诉记者，日本等国也加大了这方面的投入，不仅政府层面，一些大公司也在介入，例如日本著名的NEC株式会社。另外，微软、IBM、贝尔实验室在量子计算机方面也都有大手笔投入。

　　“公司出资意味着，他们将之视为投资行为。他们会觉得这是能够盈利的，而我国企业在高科技投入方面还比较少。”刘伍明说。

　　现实的情况是，由于我国在传统计算机芯片方面长期落后，缺乏自主知识产权，计算机芯片主要依赖进口，目前已位列所有进口产品的第一位，受制于人。

　　“在后摩尔时代量子计算来临的新的历史机遇面前，我们必须掌握核‘芯’技术，在未来的量子计算时代拥有中国‘芯’，从现在起就应该做好原始创新性、基础性工作。”郭光灿说。