國防科技大學教授劉宇迪為您講述——　一片“藍?！保毫孔佑嬎銠C的燦爛前景

　　藍海，原意是指未知的市場空間,，引申為科學的新興領(lǐng)域,。量子計算機，就是一片神秘的“藍?！?。

　　它是籠罩在經(jīng)典物理學天空上的一朵烏云,，卻催開了現(xiàn)代物理學的暢想之花；它是物理學概念中的最小單位,，卻成就了迄今為止世界上運算速度最快的計算機,；它看不見、摸不著,，甚至還有些不可理喻,，卻吸引了無數(shù)科學家為之癡迷。

　　據(jù)報道,，今年5月，中國科學技術(shù)大學成功研制出62比特量子計算原型機“祖沖之號”,，宣告全球最大量子比特數(shù)的超導(dǎo)量子體系誕生,。在此之前，該團隊研制的“九章”光量子計算原型機,，比現(xiàn)有最強的超級計算機運算速度快一百億倍,。

　　由于量子計算機的強大算力和對國家安全、社會經(jīng)濟的巨大作用,，量子計算機成為各國爭相研究的重大課題,。

　　“遇事不決，量子力學”

　　量子,，最小的不可分割的基本物理單位,。

　　在大多數(shù)人眼里，量子就是神秘,、玄妙的代名詞——“遇事不決,，量子力學；解釋不通,，穿越時空,。”在人們的日常生活中,，當遇到那些無法用常理解釋的事情時,，常常會“甩鍋”給量子力學。

　　量子,，人類對未知力量想象力的“天花板”,。在人類所能認識到的宇宙規(guī)律里，它似乎已成為神秘且萬能的代名詞,。

　　說它神秘,，是因為它有違常理。在人們的理解中,，不管什么物體,，在哪里,、跑多快，都是確定的,、能觀測出來的,。但在量子的微觀世界里，就會顯現(xiàn)出它的“不靠譜”：一個量子在某一瞬間可能在這里,，也可能在那里,，完全隨機，“不按常理出牌”,。

　　1935年,，奧地利物理學家薛定諤提出了一個著名的思想實驗：把一只貓關(guān)在一個盒子里，盒子里有毒氣瓶,，瓶上有一個錘子,，錘子由一個放射性原子的電子開關(guān)控制。如果原子核衰變,，則觸動電子開關(guān),，釋放毒氣，貓必死無疑,。根據(jù)日常經(jīng)驗,，貓或者死或者活，只有這兩種狀態(tài),?？墒牵绻醚Χㄖ@方程描述,，只要不揭開蓋子,，這只貓就一直沉睡在量子的疊加態(tài)中，處在既生又死的狀態(tài),。

　　在量子面前,，世界再也不是那個確定的、客觀的,、實在的熟悉世界,，只有去觀測量子，它才會從隨機狀態(tài)坍縮成某種固定狀態(tài),。這種微觀的不確定原理,，徹底顛覆了人們的邏輯感知。

　　事實上,，人類對量子的研究,，就是在這樣的迷惑和不解中走過。100多年里,，人類最智慧的頭腦都被這個微小粒子所牽動：普朗克,、波爾,、愛因斯坦、海森堡,、薛定諤,、波恩、泡利,、狄拉克……對于量子,，科學家們有的嘲諷、有的懷疑,，有的篤定,。物理學家理查德·費曼曾感慨：“誰要是說他理解了量子力學，那就表明他還沒理解,?！钡珶o論人們理解、支持與否,，科學就是科學,，量子還是量子,。

　　在科學面前,，人類是渺小的。哪怕再智慧的頭腦,，也會有困惑,。對于量子，愛因斯坦曾拋出世人皆知的那句話：“上帝是不擲骰子的,?！辈枀s反擊道：“你沒法告訴上帝該做什么?！?/p>

　　那么“上帝”到底該做什么,？或許，他也正處在“擲與不擲骰子”的疊加態(tài),。又或者,，這個問題，只能交給量子力學來回答,。畢竟,，“遇事不決，量子力學”,。

　　“路轉(zhuǎn)溪橋忽見”

　　智者總能在時代浪潮中立起駛向未來的桅桿,。

　　“人類應(yīng)該考慮量子計算機了！”1982年,，加州理工學院的一場報告會上,，物理學家費曼提出了這一簡直是“天方夜譚”的論斷,。當時，個人電腦的概念才剛剛問世,，普及大眾還要再等10年,。

　　然而，隨著計算機元器件越做越小,、集成度越來越高,、速度越來越快，人們在經(jīng)歷最佳算力的狂歡之后,，才最終發(fā)現(xiàn)：當初的“天方夜譚”是對的——萬物總有極限,，元件的大小不可能一小再小。也許到2025年,，傳統(tǒng)計算機的速度提升之路將會走到盡頭,。

　　是時候走上30多年前費曼指出的那條路了。

　　宛如一程崎嶇的山路,，當經(jīng)典物理看似走到盡頭時,，是量子理論在轉(zhuǎn)彎處將人們引上現(xiàn)代物理學的大道。同樣,，當傳統(tǒng)計算機遭遇算力“天花板”時,，又是量子計算機讓人們“路轉(zhuǎn)溪橋忽見”。

　　如果說經(jīng)典計算機是“蠟燭”,，量子計算機就是“電燈”,，二者都是為了發(fā)光，但點亮方式完全不同,、照亮范圍也有區(qū)別,。即使你不斷地改良蠟燭，也不可能成為電燈,。而這只“電燈”剛一問世,，就發(fā)出了遠超“蠟燭”的光芒。

　　2019年9月,，科研人員在量子計算機上運行隨機量子線路采樣任務(wù),，并與模擬超級計算機的計算進行對比，最終得出結(jié)論：量子計算機用時200秒完成的計算,，如果用當時最強大的超級計算機計算,，則需花費上萬年才能完成。

　　碾壓的奧秘何在,？如果我們讓傳統(tǒng)計算機走迷宮,，它會沿著一條路一直走；如果不對,，再折返回來嘗試下一條,，直到找到正確通路,。可對于量子計算機而言,，它只需走一次,。因為量子疊加態(tài)的特性，量子計算機仿佛吹一根毫毛變出千萬個分身的“美猴王”,，它們齊頭并進可一次搞定,。

　　可以說，不是超強算力選擇了量子計算,，而是量子計算在“襁褓”中就具有超強算力,。

　　當然，量子計算機也有自己的“小脾氣”,。它最大的問題,，在于不夠穩(wěn)定。經(jīng)典計算機不管算出什么結(jié)果,，都可馬上輸出,。但量子計算機無論是計算過程還是計算結(jié)果，都處于疊加態(tài),，這些數(shù)據(jù)就像一只高度敏感的刺猬,，稍有風吹草動，整個量子疊加態(tài)就會馬上坍縮,，從而湮滅正確結(jié)果,。

　　“星星之火,，可以燎原”

　　我們可以這樣理解,，量子計算這一技術(shù)本身，也處于量子疊加態(tài)：既取得了階段性重大突破,，又剛剛拉開序幕,。

　　如今，借助量子計算機,，人類可以模擬一些蛋白分子折疊情況,，幫助治療阿爾茨海默癥、帕金森癥等,，還可從體量巨大,、結(jié)構(gòu)繁多的數(shù)據(jù)中心，挖掘規(guī)律,、發(fā)現(xiàn)模式,，從而找到復(fù)雜區(qū)域的最優(yōu)解，找到某種材料的最穩(wěn)定狀態(tài),。

　　今后,，量子計算機在計算“可能,、概率、隨機”等問題時的超強算力,，很有可能解決科學家在材料,、制藥、數(shù)學等領(lǐng)域的長期難題,?？梢灶A(yù)見，在個人定制藥物,、應(yīng)對氣候變化,、消除交通擁堵、打造更安全的密碼體系,、設(shè)計新材料,，甚至是尋找“另一個地球”等方面，量子計算機將成為人類最有力幫手,。

　　但理想越豐滿,，現(xiàn)實越“骨感”。量子計算機的研發(fā),，并非一路坦途,。

　　“九章”量子計算機的設(shè)計師這樣形容它的操作難度：“我們需要50路光子同時通過20米的光層，每一路都要保持25納米的精度,。這相當于讓50匹馬一起跑過100公里,，必須同時到達，且每匹馬的奔跑距離都不能超過一根頭發(fā)絲的誤差,?！?/p>

　　同時，為了讓量子比特保持量子特性,，量子計算機需要用強力冷卻裝置保持絕對零度(-273℃)才能正常工作,。這就使得它的造價格外昂貴。據(jù)報道,，美國研發(fā)和建造一臺量子計算機的前期費用,，就已達100億美元。

　　而且,，要想研發(fā)出通用型量子計算機,，起碼要上千萬個量子比特。就專用量子計算機“九章”而言,，僅僅有76個量子比特,。人類目前的科技水平，研發(fā)通用機還有很長的路要走。

　　量子計算機,，這位人類的新朋友,，充其量只能算作浩渺宇宙中的“幾點星火”，雖有光亮,，但很微弱,。然而，我們堅信“星星之火,，可以燎原”——通過對量子計算機的深入研究與探索,，必然點燃人類通往未知世界的熊熊火炬，照亮其中隱藏的自然法則,。

　　量子計算機如同人類頭頂那片璀璨的“藍?！薄,！八{?！焙苊溃ㄍ八{?！钡那奥纷⒍ㄆD難,；“藍海”很遠,，但通往“藍?！钡暮匠桃呀?jīng)開啟。

編輯：馮靖淼 責編： 編審： 監(jiān)制：