文／本刊記者 史 詩(shī)

讓許多人不明覺(jué)厲的量子，其實(shí)是一個(gè)物理概念。

“量子即是離散變化的物質(zhì)和能量最基本的單元。今天的筆記本電腦或者手機(jī)等計(jì)算的基本單元是1個(gè)比特，當(dāng)有多個(gè)比特同時(shí)存在時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)函數(shù)可將它們同時(shí)處理，再加上一些巧妙的算法設(shè)計(jì)，就可以得到非?？斓募铀佟！?/p>

7月6日，在由國(guó)際理論物理中心（亞太地區(qū)）、中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)數(shù)理分會(huì)聯(lián)合舉辦的“2021量子科技系列報(bào)告”第二講上，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)將量子計(jì)算類(lèi)比于保齡球游戲，講述了量子世界種種讓人驚呼神奇的現(xiàn)象。

神秘的量子世界

“當(dāng)一個(gè)妹子叫你滾的時(shí)候，你永遠(yuǎn)不知道她真正的意思是叫你滾還是叫你過(guò)來(lái)抱緊？此時(shí)的你應(yīng)該處于一種又抱又滾的量子力學(xué)狀態(tài)?！边@是網(wǎng)友對(duì)薛定諤提出的假想實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明量子力學(xué)預(yù)言的奇怪現(xiàn)象的形象描述。

陸朝陽(yáng)表示，量子世界不同于經(jīng)典世界，量子力學(xué)的一切實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，量子世界允許一個(gè)物體同時(shí)存在于多種狀態(tài)。這可以理解為，在量子世界，允許一個(gè)粒子同時(shí)在北京和上海兩個(gè)地方。

而量子計(jì)算主要就是依賴(lài)于這個(gè)特性，其計(jì)算的基本單元是0和1，這兩種狀態(tài)就是同時(shí)存在的。

美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼（Richard Feynman）在20世紀(jì)80年代提出了量子計(jì)算的設(shè)想，描述了一種基于量子疊加原理的計(jì)算，在特定問(wèn)題方面能指數(shù)級(jí)提高計(jì)算的速度。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)能解決某個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無(wú)能為力的問(wèn)題時(shí)，即達(dá)到了所謂的“量子優(yōu)越性”。它既是量子計(jì)算發(fā)展的重要里程碑，也是邁向通用量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

中國(guó)量子通信“直道超車(chē)”

陸朝陽(yáng)同時(shí)提到了量子世界一個(gè)奇特的現(xiàn)象：量子的狀態(tài)和其是否被測(cè)量相關(guān)。根據(jù)量子不可克隆原理和量子不可分割性質(zhì)，在量子通訊過(guò)程中的竊聽(tīng)行為必然被發(fā)現(xiàn)。

也就是說(shuō)，一旦有人竊聽(tīng)量子通信的通道，不可避免地會(huì)擾動(dòng)、改變量子的狀態(tài)，從而使通信雙方察覺(jué)，在物理原理上提升了通信的安全性。因此，當(dāng)一次一密，完全隨機(jī)的情況下，加密內(nèi)容是不可被破譯的。

在安全的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信，2016年8月，我國(guó)發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了千公里的量子通信。陸朝陽(yáng)曾說(shuō)：“我們一直在做的不是彎道超車(chē)，而是直道超車(chē)。”

對(duì)此，陸朝陽(yáng)特別談到對(duì)原創(chuàng)性貢獻(xiàn)的推崇?！拔以谡憬瓥|陽(yáng)中學(xué)的學(xué)長(zhǎng)，后來(lái)?yè)?dān)任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)的嚴(yán)濟(jì)慈先生曾說(shuō)過(guò)，‘要做教科書(shū)上的科學(xué)家而不是報(bào)紙上的科學(xué)家’?！?/p>

也就是基于量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和“京滬干線(xiàn)”光纖量子保密通信技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范工程，我們國(guó)家首次描繪了天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)的藍(lán)圖。

量子計(jì)算剛剛走出基礎(chǔ)研究階段

不同于“第一次量子革命”對(duì)量子規(guī)律的認(rèn)識(shí)和其在宏觀(guān)世界的應(yīng)用，以量子信息技術(shù)為主導(dǎo)的“第二次量子革命”，引發(fā)全球廣泛關(guān)注。

在計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷提高，計(jì)算速度越來(lái)越快，尺寸越來(lái)越小，已經(jīng)逼近物理極限的今天，我們?cè)撊绾翁岣哂?jì)算機(jī)的運(yùn)算速度？

量子科技無(wú)疑是新的解決之道。

但陸朝陽(yáng)指出，自2015年-2016年左右開(kāi)始，人們進(jìn)入一個(gè)過(guò)度樂(lè)觀(guān)的狀態(tài)。隨著一些大公司的介入，經(jīng)常出現(xiàn)一些“標(biāo)題黨”式新聞。其實(shí)，量子計(jì)算剛剛從基礎(chǔ)研究邁入技術(shù)積存和集中攻關(guān)的階段，為了讓量子計(jì)算回到健康的發(fā)展軌道，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出“三步走”的路線(xiàn)圖。

第一步，量子優(yōu)越性（量子霸權(quán)）。量子霸權(quán)是一個(gè)學(xué)術(shù)定義，指能夠造出一臺(tái)在某個(gè)問(wèn)題上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力的量子計(jì)算機(jī)。

第二步，實(shí)用量子模擬機(jī)。未來(lái)的5—10年，我們希望實(shí)現(xiàn)一些有實(shí)用價(jià)值的，比如可以應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)、組合優(yōu)化、大數(shù)據(jù)等的模擬機(jī)。

第三步，通用量子計(jì)算機(jī)。這是最終、最困難的目標(biāo)。

“量子優(yōu)越性”不是一蹴而就

2016年7月31日，美國(guó)發(fā)布量子霸權(quán)研究計(jì)劃，同年8月，谷歌緊接著也發(fā)表了量子優(yōu)越性方面的研究計(jì)劃。2019年10月，谷歌推出53個(gè)量子比特的“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)，認(rèn)為用200秒就可以解決超算一萬(wàn)年的事情，從而宣布實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

2020年12月，潘建偉、陸朝陽(yáng)等人自主研制的76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問(wèn)世，實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)求解5000萬(wàn)個(gè)樣本的高斯玻色取樣時(shí)，“九章”需200秒，而目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”需6億年。等效來(lái)看，“九章”的計(jì)算速度比“富岳”快100萬(wàn)億倍，比“懸鈴木”快100億倍，并彌補(bǔ)了“懸鈴木”依賴(lài)樣本數(shù)量的技術(shù)漏洞。

“量子優(yōu)越性不是一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競(jìng)爭(zhēng)。最終，量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及的算力。”陸朝陽(yáng)強(qiáng)調(diào)。