在十九世紀(jì)初期，完美的經(jīng)典物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成,。然而,，還有“兩朵烏云”仍然籠罩在經(jīng)典物理學(xué)大廈的上方，其中一朵就是黑體輻射的紫外災(zāi)難,。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象,，并結(jié)合已有的對(duì)氫原子光譜等問(wèn)題的研究，量子力學(xué)橫空出世,。

量子力學(xué)發(fā)展起來(lái),，延伸出許多相關(guān)的分支，量子計(jì)算就是最為人們所看好的量子技術(shù)之一,。擁有高出普通計(jì)算機(jī)數(shù)十甚至數(shù)百倍算力的量子計(jì)算機(jī),，是吸引了無(wú)數(shù)科技公司、大型學(xué)術(shù)團(tuán)體乃至中國(guó)政府的研究熱點(diǎn),。當(dāng)前,，各公司，甚至各國(guó)——都在爭(zhēng)奪量子計(jì)算這個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域的龍頭地位。

量子計(jì)算的玫瑰與荊棘

眾所周知,，經(jīng)典計(jì)算機(jī)以比特（bit）作為存儲(chǔ)的信息單位,，比特使用二進(jìn)制，一個(gè)比特表示的不是“0”就是“1”,。但是,，在量子計(jì)算機(jī)里，情況會(huì)變得完全不同,，量子計(jì)算機(jī)以量子比特（qubit）為信息單位,，量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”,，還可以做到“既1又0”,，這意味著，量子計(jì)算機(jī)可以疊加所有可能的“0”和“1”組合,，讓“1”和“0”的狀態(tài)同時(shí)存在,。

相較于經(jīng)典計(jì)算，基于量子比特特性的量子計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn),。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器一次只能存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù),，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子比特寄存器可以同時(shí)保持所有4個(gè)狀態(tài)的疊加。當(dāng)量子比特的數(shù)量為n個(gè)時(shí),，量子處理器對(duì)n個(gè)量子位執(zhí)行一個(gè)操作就相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典位執(zhí)行2n個(gè)操作,，這使得量子計(jì)算機(jī)的處理速度大大提升?？梢哉f(shuō),，量子計(jì)算機(jī)最大的特點(diǎn)就是速度快。

以質(zhì)因數(shù)分解為例,，每個(gè)合數(shù)都可以寫(xiě)成幾個(gè)質(zhì)數(shù)相乘的形式,，其中每個(gè)質(zhì)數(shù)都是這個(gè)合數(shù)的因數(shù)，把一個(gè)合數(shù)用質(zhì)因數(shù)相乘的形式表示出來(lái),，就叫做分解質(zhì)因數(shù),。比如，6可以分解為2和3兩個(gè)質(zhì)數(shù),；但如果數(shù)字很大,，質(zhì)因數(shù)分解就變成了一個(gè)很復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題。1994年,，為了分解一個(gè)129位的大數(shù),，研究人員同時(shí)動(dòng)用了1600臺(tái)高端計(jì)算機(jī),，花了8個(gè)月的時(shí)間才分解成功,；但使用量子計(jì)算機(jī)，只需1秒鐘就可以破解。

此外,，根據(jù)量子力學(xué),，在微觀世界，能量是離散化的,，就像不停地用顯微鏡放大斜面,，最后發(fā)現(xiàn)所有的斜面都是由一小級(jí)一小級(jí)的階梯組成一樣，量子并不是某種粒子,，它指代的是微觀世界中能量離散化的現(xiàn)象,。量子系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)“測(cè)量”之后就會(huì)坍縮為經(jīng)典狀態(tài)。

這就是那個(gè)經(jīng)典的“薛定諤的貓”的思想實(shí)驗(yàn),，當(dāng)我們打開(kāi)密閉容器后,，貓就不再處于疊加狀態(tài)，而是死貓或者活貓的唯一狀態(tài),。同樣,，量子計(jì)算機(jī)在經(jīng)過(guò)量子算法運(yùn)算后每一次測(cè)量都會(huì)得到唯一確定的結(jié)果，且每一次結(jié)果都有可能不相同,。根據(jù)基礎(chǔ)的量子門(mén),，科學(xué)家可以開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的量子算法。

雖然量子計(jì)算機(jī)每一次的測(cè)量結(jié)果都類(lèi)似“上帝擲骰子”一樣會(huì)發(fā)生不同,，但是只要量子算法設(shè)計(jì)合理,，量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算結(jié)果中出現(xiàn)概率最大的結(jié)果就是正確結(jié)果。面對(duì)較為復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題,，經(jīng)典算法需要進(jìn)行各態(tài)遍歷等重復(fù)操作,，算法的復(fù)雜度較高，而量子算法則能較快得到結(jié)果,，只需少數(shù)測(cè)量取樣得到計(jì)算結(jié)果概率即可知道正確結(jié)果,。但顯然，這不是一個(gè)容易的過(guò)程,。

一方面,，量子比特需要處在相互依賴(lài)的疊加態(tài)——也被稱(chēng)為“量子相干”的狀態(tài)，在此狀態(tài)下量子比特會(huì)相互糾纏,，一個(gè)量子比特的變化會(huì)影響其他所有量子比特,。為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，就需要保持所有的量子比特相干,。

然而,，量子相干實(shí)體所組成的系統(tǒng)和其周?chē)h(huán)境的相互作用，會(huì)導(dǎo)致量子性質(zhì)快速消失,，即“退相干”,。想要建造量子計(jì)算機(jī),，研究人員就必須設(shè)法延長(zhǎng)退相干時(shí)間，但目前的技術(shù)僅能將時(shí)間延長(zhǎng)到零點(diǎn)幾秒,。隨著量子比特?cái)?shù)量的增加,，其與外界環(huán)境接觸的可能性增大，想要延長(zhǎng)退相干時(shí)間的難度也就越大,。

另一方面,，正如自然中的其他過(guò)程一樣，量子計(jì)算過(guò)程中也有噪聲,。來(lái)自量子比特內(nèi)的熱量,、來(lái)自基本的量子力學(xué)過(guò)程的隨機(jī)波動(dòng)都可能會(huì)干擾量子比特的狀態(tài)，從而造成計(jì)算錯(cuò)誤,。噪聲在經(jīng)典計(jì)算中同樣存在,，但不難解決,，只要給每個(gè)比特保存兩到三份備份,，這樣一個(gè)錯(cuò)誤的比特就很容易被發(fā)現(xiàn)和剔除,。而在量子計(jì)算機(jī)中，所有的計(jì)算能力卻往往被用于糾正錯(cuò)誤,，而不是運(yùn)行算法時(shí),，于是，解決噪聲問(wèn)題的策略反而成為了一種負(fù)擔(dān),。

升級(jí)信息時(shí)代

即便量子計(jì)算的發(fā)展面對(duì)諸多現(xiàn)實(shí)性的艱巨挑戰(zhàn),，但量子計(jì)算依然是物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家數(shù)十年來(lái)一直夢(mèng)想的潛在革命性的技術(shù)。究其原因,，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展從根本上而言能給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)的是一次信息化的升級(jí),，量子計(jì)算的加入或許可以幫助人們?cè)谖磥?lái)以更快更安全的方式處理數(shù)字化信息。

眾所周知,，人類(lèi)歷史上發(fā)生了三次工業(yè)革命,，第一次是蒸汽時(shí)代，第二次是電氣時(shí)代,，第三次則是信息時(shí)代,。而以計(jì)算機(jī)為主的第三次工業(yè)革命，目前又在進(jìn)一步進(jìn)化為以互聯(lián)網(wǎng),、大數(shù)據(jù)和人工智能為開(kāi)端的第四次工業(yè)革命,。在第三次和第四次工業(yè)革命中，計(jì)算機(jī)起著重要的主導(dǎo)作用,，芯片,，作為計(jì)算機(jī)的“大腦”，更是技術(shù)革命中的重中之重,。

1965年,，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人GordonMoore預(yù)測(cè),，集成電路上可容納的元器件數(shù)目每隔18個(gè)月至24個(gè)月會(huì)增加一倍。摩爾定律歸納了信息技術(shù)進(jìn)步的速度,。在摩爾定律應(yīng)用的50多年里,，計(jì)算機(jī)得以進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)成為多數(shù)人都不可或缺的工具,，信息技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入無(wú)數(shù)個(gè)普通家庭,，因特網(wǎng)將全世界聯(lián)系起來(lái)，多媒體視聽(tīng)設(shè)備豐富著每個(gè)人的生活,。

“摩爾定律”對(duì)整個(gè)世界意義深遠(yuǎn),。然而，經(jīng)典計(jì)算機(jī)在以“硅晶體管”為基本器件結(jié)構(gòu)延續(xù)摩爾定律的道路上終將受到物理限制,。計(jì)算機(jī)的發(fā)展中晶體管越做越小,，中間的阻隔也變得越來(lái)越薄。在3nm時(shí),，只有十幾個(gè)原子阻隔,。在微觀體系下，電子會(huì)發(fā)生量子的隧穿效應(yīng),，不能很精準(zhǔn)表示“0”和“1”,，這也就是通常說(shuō)的摩爾定律碰到天花板的原因。

盡管研究人員們也提出了更換材料以增強(qiáng)晶體管內(nèi)阻隔的設(shè)想,，但一個(gè)事實(shí)是,，無(wú)論用什么材料，都無(wú)法阻止電子隧穿效應(yīng),。這一難點(diǎn)問(wèn)題對(duì)于量子來(lái)說(shuō)卻是天然的優(yōu)勢(shì),，畢竟半導(dǎo)體才是量子力學(xué)的產(chǎn)物，芯片也是在科學(xué)家們認(rèn)識(shí)電子的量子特性后研發(fā)而成的,。

此外,，基于量子的疊加特性，量子計(jì)算就像是算力領(lǐng)域的“5G”,，它帶來(lái)“快”的同時(shí)帶來(lái)的也絕非速度本身的變化,。比如在圍棋領(lǐng)域戰(zhàn)勝全體人類(lèi)的AlphaGo，其實(shí)從其最初研發(fā)到最終戰(zhàn)勝全球冠軍,，一方面是AI算法的“軟成長(zhǎng)”,，另一方面則是運(yùn)行AlphaGo的NPU在算力上的“硬成長(zhǎng)”。兩者之間任何一個(gè)要素的發(fā)展都可能導(dǎo)致最終結(jié)果上AlphaGo變得更聰明,。

基于強(qiáng)大的運(yùn)算能力,，量子計(jì)算機(jī)有能力迅速完成電子計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的計(jì)算，量子計(jì)算在算力上帶來(lái)的成長(zhǎng),，甚至有可能造就第四次人工智能浪潮,。目前,，針對(duì)人工智能產(chǎn)生的量子算法潛在應(yīng)用包括量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自然語(yǔ)言處理,、交通優(yōu)化和圖像處理等,。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為量子科學(xué),、信息科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)多個(gè)學(xué)科交叉形成的研究領(lǐng)域,，可以利用量子計(jì)算的強(qiáng)大算力，提升神經(jīng)計(jì)算的信息處理能力,。

再比如,，在數(shù)字加密領(lǐng)域，當(dāng)下幾乎所有的數(shù)字加密都像是一把數(shù)學(xué)上的“鎖”,，這把鎖的鑰匙串上有幾億甚至幾百億把可能打開(kāi)它的鑰匙,。此時(shí)，基于一個(gè)樸素的假設(shè)——暴力破解者沒(méi)有足夠的算力把其中的每一個(gè)鑰匙都做出來(lái)然后嘗試,，因此,，加密就是安全的。然而,，當(dāng)算力爆發(fā)式成長(zhǎng)時(shí),，很多包括金融機(jī)構(gòu)在內(nèi)的密碼加密就將全部失去意義，取而代之的則是基于量子技術(shù)的超高運(yùn)算性能的安全架構(gòu),。

量子計(jì)算下的中美角逐

量子技術(shù)是遠(yuǎn)超當(dāng)前任何一個(gè)國(guó)家所擁有的關(guān)于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù),，包括芯片技術(shù)，以及當(dāng)前一直在討論的區(qū)塊鏈技術(shù),。因此,，作為全球科技前沿的重大挑戰(zhàn)之一，量子計(jì)算也成為世界各國(guó)角逐的焦點(diǎn),，尤其是中美,。

美國(guó)是最早將量子信息技術(shù)列為國(guó)防與安全研發(fā)計(jì)劃的國(guó)家，也是進(jìn)展最快的國(guó)家,。早在2002年,，美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）就制定了《量子信息科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃》。2018年6月,，美國(guó)通過(guò)《國(guó)家量子倡議法案》,，計(jì)劃在10年內(nèi)撥給能源部、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和國(guó)家科學(xué)基金12．75億美元,，全力推動(dòng)量子科學(xué)發(fā)展,。

就企業(yè)而言，谷歌早在2006年就創(chuàng)立了量子計(jì)算項(xiàng)目,。2019年10月,，谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54個(gè)量子位處理器Sycamore,，實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。具體來(lái)說(shuō),，Sycamore能夠在200秒內(nèi)完成規(guī)定操作,，而相同的運(yùn)算量在當(dāng)今世界最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit上則需要1萬(wàn)年才能完成。這項(xiàng)工作是人類(lèi)歷史上首次在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中驗(yàn)證了量子優(yōu)越性,，也被《Nature》認(rèn)為在量子計(jì)算的歷史上具有里程碑意義,。

2020年8月，谷歌在量子計(jì)算機(jī)上模擬了迄今最大規(guī)模的化學(xué)反應(yīng),，通過(guò)使用量子設(shè)備對(duì)分子電子能量進(jìn)行Hartree－Fock計(jì)算,，并通過(guò)變分量子本征求解來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)處理完善其性能,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算預(yù)測(cè),。也就是說(shuō)，谷歌已經(jīng)進(jìn)入研制量子計(jì)算機(jī)的第二階段,。

除了谷歌外,，2015年，IBM也在《自然通訊》上發(fā)表了使用超導(dǎo)材料制成的量子芯片原型電路,。2020年8月,，實(shí)現(xiàn)了64位量子體積的量子計(jì)算機(jī)，量子體積是IBM提出的用于測(cè)量量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大程度的一個(gè)性能指標(biāo),。9月,，IBM發(fā)布了一份野心勃勃的路線(xiàn)圖——在2023年年底，IBM可以構(gòu)建出1000 量子比特的量子硬件,。

英特爾則一直在研究多種量子位類(lèi)型,，包括超導(dǎo)量子位、硅自旋量子位等,。2018年,，英特爾成功設(shè)計(jì)、制造和交付49量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算測(cè)試芯片Tangle Lake,，算力等于5000顆8代i7,，并且允許研究人員評(píng)估改善誤差修正技術(shù)和模擬計(jì)算問(wèn)題。

我國(guó)亦在持續(xù)加碼相關(guān)投入,，可以說(shuō),，對(duì)于中國(guó)而言，要想在科技上占據(jù)話(huà)語(yǔ)權(quán),，要想真正的實(shí)現(xiàn)科技領(lǐng)域的超車(chē),，量子科學(xué)是非常關(guān)鍵的技術(shù)。根據(jù)“十四五”規(guī)劃,，當(dāng)前,，我國(guó)已將量子信息納入國(guó)家戰(zhàn)略科技力量和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),，加快布局量子計(jì)算、量子通信,、神經(jīng)芯片,、DNA存儲(chǔ)等前沿技術(shù)，加強(qiáng)信息科學(xué)與生命科學(xué),、材料等基礎(chǔ)學(xué)科的交叉創(chuàng)新,。

我國(guó)在量子計(jì)算獲得的突破和成就是顯著的。2020年12月,，中國(guó)首次宣稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性,。中國(guó)科學(xué)團(tuán)隊(duì)制造了的名為“九章”的量子計(jì)算機(jī)，可以在幾分鐘內(nèi)完成一個(gè)特定的計(jì)算,，而世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要20多億年才能完成,。

不久前，中國(guó)又宣布成功研制113個(gè)光子的“九章二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī),，根據(jù)現(xiàn)已正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法理論,，“九章二號(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1024倍。同時(shí),，66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體系“量子計(jì)算優(yōu)越性”,，計(jì)算復(fù)雜度比谷歌“懸鈴木”還提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。

盡管從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)實(shí)仍有距離,，但量子科學(xué)的發(fā)展對(duì)人類(lèi)文明帶來(lái)的重構(gòu)是毋庸置疑的,，尤其是量子糾纏、多維空間以及時(shí)空穿梭的探索,，當(dāng)這些技術(shù)不斷的被驗(yàn)證,、被實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，對(duì)當(dāng)前所構(gòu)建的物理學(xué)以及在當(dāng)前物理學(xué)基礎(chǔ)上所發(fā)展起來(lái)的科學(xué)認(rèn)知觀念都將被更新,。就像太空探索一樣,，人們終將登上月球。