量子計(jì)算機(jī)初長成或要10年 幾大根本性問題尚未被解決

在一個(gè)棱長約為2.7米的立方形玻璃箱內(nèi)，一盞外觀似乎并不驚艷的“吊燈”被懸掛在箱頂，引起觀者駐足。這盞“吊燈”是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的核心部分，立方形玻璃箱由半英寸厚的硼硅酸鹽玻璃制成。

這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)就是日前在2019年國際消費(fèi)類電子展現(xiàn)場，IBM首次對外展示的全球首臺(tái)獨(dú)立量子計(jì)算機(jī)——IBM Q System One。

盡管不少業(yè)界人士質(zhì)疑該計(jì)算機(jī)的可用性，甚至認(rèn)為它更像是裝飾品，但I(xiàn)BM明確表示，IBM Q System One是量子計(jì)算商業(yè)化的重要一步。然而，在該計(jì)算機(jī)發(fā)布后不久，有媒體稱，這臺(tái)“吊燈”的算力還不如一臺(tái)普通筆記本電腦。

這樣的評價(jià)是否客觀?眾人翹首以待的、量子計(jì)算超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的“量子霸權(quán)時(shí)代”何時(shí)才能到來?

“大力水手”目前還是個(gè)“嬰兒”

量子計(jì)算機(jī)指的是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律，進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算及量子信息處理的物理裝置。“當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就可以被定義為量子計(jì)算機(jī)。”漁翁信息技術(shù)股份有限公司總裁郭剛告訴科技日報(bào)記者，量子計(jì)算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干性。

至于IBM Q System One的特征，由于IBM公司并未公開與之有關(guān)的科學(xué)參數(shù)，外界尚無法分析其原理和性能。“這臺(tái)計(jì)算機(jī)是怎么被做出來的?規(guī)模和性能如何?我們無法從新聞中得到相關(guān)信息，甚至無法判斷它是否達(dá)到了量子計(jì)算機(jī)的基本指標(biāo)。”安徽問天量子科技股份有限公司首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授韓正甫認(rèn)為，IBM Q System One頂多是一個(gè)模型機(jī)，將其用于解決實(shí)際問題為時(shí)尚早。

目前，在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的機(jī)構(gòu)有谷歌公司、IBM公司、英特爾公司、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)等。“領(lǐng)頭羊”谷歌公司針對量子計(jì)算機(jī)目前存在的問題，提供了一些解決方案，但依然沒做出真正的量子計(jì)算機(jī)。韓正甫告訴科技日報(bào)記者，該公司于2018年初推出的72個(gè)量子位處理器，還不能算模型機(jī)，更不能被用于解決實(shí)際問題。

對于“量子計(jì)算機(jī)的算力不如筆記本電腦”的說法，韓正甫表示，模型機(jī)就像處在嬰兒期或胎兒期的量子計(jì)算機(jī)，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)沒有可比性。“當(dāng)未來的‘大力水手’還是個(gè)‘嬰兒’，拿他跟一個(gè)正值壯年的男子相比，沒有意義。同樣，真正意義上完整的量子計(jì)算機(jī)還未出現(xiàn)，比較其與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力高低，沒有價(jià)值。”韓正甫說。

毫無疑問，當(dāng)下正值壯年的經(jīng)典計(jì)算機(jī)比幼兒期的量子計(jì)算機(jī)更實(shí)用。郭剛也表示，相對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的算力目前尚難做到領(lǐng)先。

早在上世紀(jì)，電子計(jì)算機(jī)剛剛問世時(shí)，有人曾拿算盤和最早的電子計(jì)算機(jī)比計(jì)算速度。結(jié)果，當(dāng)時(shí)的電子計(jì)算機(jī)確實(shí)沒有算盤算得快。但經(jīng)過若干年的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的算力早已今非昔比。韓正甫強(qiáng)調(diào)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)之間要比較的是原理上的先進(jìn)性，而非功能上的優(yōu)劣，否則是不科學(xué)的。

幾大根本性問題尚未被解決

實(shí)際上，量子計(jì)算的概念在20世紀(jì)80年代就已被提出，其基礎(chǔ)理論也在上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)初得到突破。但真正的量子計(jì)算機(jī)遲遲沒有問世。

“因?yàn)閹状蟾拘詥栴}沒有得到解決。”韓正甫告訴科技日報(bào)記者，首先是目前的量子計(jì)算機(jī)芯片的保真度不夠，出錯(cuò)率還比較高，沒有達(dá)到理論上的要求。

“即便是量子計(jì)算機(jī)，我們?nèi)匀恍枰芙o出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)構(gòu)。即便它的出錯(cuò)率低于萬分之5，我們也不敢用它解決問題，因?yàn)槲覀儾桓彝耆湃嗡慕Y(jié)論。”韓正甫表示。

量子相干性是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的根本，如果量子沒有相干性，計(jì)算只能是經(jīng)典的。不巧的是，量子相干性會(huì)迅速地被環(huán)境破壞，因此，所有的量子計(jì)算必須在退相干效應(yīng)發(fā)生并擾亂量子比特前完成。這是量子計(jì)算要跨越的另一個(gè)門檻，物理學(xué)家們正在努力，希望量子相干性維持的時(shí)間越長越好。

橫亙在量子計(jì)算機(jī)面前的另一道“高墻”是它的運(yùn)行條件相當(dāng)苛刻。比如，量子比特必須在接近絕對零度的環(huán)境下工作，這需要一些特殊且龐大的設(shè)備來維持。

此外，韓正甫表示，量子計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，以及算法、軟件等方面也需要不斷完善，目前尚不具備應(yīng)用條件。

以算法為例，量子計(jì)算機(jī)在工作時(shí)需要算法的配合，但現(xiàn)有的算法如秀爾(Shor)算法能解決哪些問題、不能解決哪些問題，還不十分清楚。暫時(shí)，只能在理論邏輯上預(yù)計(jì)其可用與否。

郭剛表示，如果研究人員對算法的認(rèn)知達(dá)不到一定的水平，就很難將量子計(jì)算的潛力發(fā)揮出來，也就更難以將其應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，進(jìn)而解決實(shí)際問題。

“這好比給嬰兒設(shè)計(jì)成長路徑。可以依據(jù)現(xiàn)有表現(xiàn)考慮讓其成為科學(xué)家還是作家，但適合與否還要等孩子長大后才知道。”韓正甫說，給量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件也是如此，只能等真正的量子計(jì)算機(jī)問世后，才能去檢驗(yàn)并調(diào)整之前的設(shè)計(jì)。

未來應(yīng)用會(huì)從特定領(lǐng)域開始

那么，真正的量子計(jì)算機(jī)該是怎樣的?

“計(jì)算能力強(qiáng)大，擁有某些必要的宏觀功能。在解決特定問題時(shí)，能顯示出比現(xiàn)有電子計(jì)算機(jī)更大的優(yōu)勢。雖然未必能解決極端復(fù)雜的問題，對于復(fù)雜程度略低的問題，至少能顯示其優(yōu)勢所在。”韓正甫說。

“我們說量子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)大，目前還只是從理論上給出的預(yù)測。”韓正甫表示，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)能跑出怎樣的成績，還不得而知。

韓正甫認(rèn)為，5年之內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)的原型機(jī)有望問世。10年之內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)的初級版也許能出來，用于解決一些現(xiàn)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。“假如關(guān)于IBM Q System One的消息屬實(shí)，它就是原型機(jī)，但不排除這則消息可能存在水分。” 韓正甫表示。

量子計(jì)算機(jī)走向市場，會(huì)被應(yīng)用于哪些領(lǐng)域?

首先可能會(huì)被用來分析密碼。以最常用的公鑰密碼算法RSA為例，其機(jī)理是利用短時(shí)間內(nèi)因數(shù)難以被分解的特性，而在理論上基于量子計(jì)算機(jī)的算法可以輕松分解因數(shù)。

此外，在新材料設(shè)計(jì)、天氣預(yù)報(bào)、地震預(yù)報(bào)等復(fù)雜問題的計(jì)算上，量子計(jì)算機(jī)也被寄予厚望。“以天氣預(yù)報(bào)為例，只要根據(jù)物理學(xué)基本定律給地球上所有的分子都寫一個(gè)方程式，量子計(jì)算機(jī)或許能計(jì)算出某一個(gè)地方的風(fēng)霜雨雪。”韓正甫說。

量子計(jì)算機(jī)能描繪出數(shù)以萬億計(jì)的分子組成，并快速識(shí)別其中的有效組合，降低藥物研發(fā)成本和周期，還能協(xié)調(diào)飛機(jī)航線及地面交通。

郭剛認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)可能先被應(yīng)用于軍事、航天、大氣等領(lǐng)域。在解決特定領(lǐng)域的難點(diǎn)問題后，再通過歸納分析、找出規(guī)律，驗(yàn)證其有效性，在此基礎(chǔ)上提升效率，最后再被推廣到其他民用領(lǐng)域。

“對人類而言，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)進(jìn)展極其重要，但對其進(jìn)展的宣傳似乎有些過度。”韓正甫認(rèn)為這不太合適。郭剛也坦言，量子計(jì)算機(jī)目前依舊停留在實(shí)驗(yàn)室階段，雖然基礎(chǔ)理論已基本完善，可離產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。(代小佩)

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