米歇爾·西蒙斯

量子物理學(xué)家、新南威爾士大學(xué)量子計(jì)算和通信技術(shù)卓越中心主任

量子計(jì)算的歷史性突破

今年6月22日，澳大利亞科學(xué)家米歇爾·西蒙斯團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了世界上第一個原子級量子集成電路,在量子尺度上復(fù)現(xiàn)了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片上的所有基本組件。

九年前，該團(tuán)隊(duì)制造出世界上第一個單原子晶體管，并提出到2023年實(shí)現(xiàn)原子級量子集成電路的制造?，F(xiàn)在，該目標(biāo)提前實(shí)現(xiàn)了。

米歇爾·西蒙斯是硅量子計(jì)算公司（SQC）的創(chuàng)始人，也是新南威爾士大學(xué)量子計(jì)算和通信技術(shù)卓越中心的主任，她對媒體表示，這是她職業(yè)生涯中最令人興奮的發(fā)現(xiàn)。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以模擬分子結(jié)構(gòu)相反，西蒙斯團(tuán)隊(duì)成功模擬了有機(jī)小分子的量子狀態(tài)，使我們離微小世界的本真面目更近一步。

西蒙斯對媒體表示：“在20世紀(jì)50年代，理查德·費(fèi)曼（美國物理學(xué)家、1965年諾貝爾物理獎得主）曾說，我們永遠(yuǎn)不會理解世界與自然的運(yùn)作方式，除非我們能夠在相同尺度上構(gòu)建它。因此，如果我們能在這個層面上理解自然，我們就能設(shè)計(jì)出前所未有的材料?！?/p>

“但問題是：如何才能在最微小的層面上控制自然？”

“這是一個重大突破?！彼硎?，“由于原子之間可能存在大量的相互作用，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)依舊難以模擬相對較小的分子。而量子集成電路能夠?yàn)橐幌盗行虏牧蠘?gòu)建量子模型，無論是藥品、電池材料，還是催化劑。”

以制藥為例，最關(guān)鍵一步是確定分子的電子結(jié)構(gòu)。但是，對像青霉素這樣的日常藥物進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)建模，需要一臺大約1086位的經(jīng)典計(jì)算機(jī)——晶體管數(shù)量比可觀測宇宙中的原子還要多。這樣一臺機(jī)器不可能存在。

但對于量子計(jì)算機(jī)來說，只需要一個擁有286個量子比特（qubits）的處理器，就完全可能實(shí)現(xiàn)這樣的模擬。

量子計(jì)算的優(yōu)缺點(diǎn)

除制藥行業(yè)外，未來量子計(jì)算更有可能徹底改變金融、人工智能和汽車等行業(yè)。同時，計(jì)算機(jī)科學(xué)家已展示了量子計(jì)算在快速搜索、準(zhǔn)確氣象預(yù)報和精準(zhǔn)醫(yī)療中應(yīng)用的可能。

總的來說，量子計(jì)算適用于大數(shù)據(jù)處理，具有快速解決問題的突出優(yōu)勢，在航空物流、藥品制造、分子研究或其他在原子水平操作和計(jì)算的領(lǐng)域具有重要作用。

然而，建造量子計(jì)算機(jī)并非易事。首先，為使系統(tǒng)正常運(yùn)行，其溫度必須接近絕對零度（約等于-273.15℃），這無疑是重大的工程挑戰(zhàn)。其次，在接收一定數(shù)量的指令后，量子比特會產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果，但目前為止，量子計(jì)算機(jī)缺乏自動糾錯功能。第三，由于制造量子比特需要大量導(dǎo)線或激光器，維持對每個器件的控制也相當(dāng)困難。第四，量子計(jì)算非常昂貴，一個量子比特的成本可高達(dá)一萬美元。最后，如果量子計(jì)算機(jī)被惡意利用，標(biāo)準(zhǔn)信息系統(tǒng)和以往的加密方法將無法抵御其威力。量子計(jì)算足以解密最安全的數(shù)據(jù)（如銀行記錄、政府機(jī)密和互聯(lián)網(wǎng)賬戶密碼等）。

量子計(jì)算能否終結(jié)圖靈機(jī)

基于量子計(jì)算的巨大前景，全球各國及各大公司都開始了量子計(jì)算機(jī)戰(zhàn)略。

比如，2016年，IBM公司率先推出了全世界第一臺基于5個超導(dǎo)量子比特的可編程量子計(jì)算機(jī)的原理模型，并將之應(yīng)用于云平臺。到2017年，他們又成功研制出了基于50個超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算機(jī)的原理模型，并宣稱將在2023年成功制備超過1000個比特的真正的量子計(jì)算機(jī)。

谷歌則于2019年宣布成功研制了超過53個超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算芯片，并取名為Sycamore，中文翻譯為懸鈴木。谷歌的研究人員稱Sycamore在200秒內(nèi)完成了一個極其艱深的計(jì)算，而這對超級計(jì)算機(jī)來說要花費(fèi)一萬年。然而近日，中國科學(xué)院理論物理研究所的張潘教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表了名為《Sycamore量子優(yōu)勢電路采樣問題的求解》的論文，展示了擊敗谷歌量子計(jì)算機(jī)Sycamore的全過程。

張潘教授團(tuán)隊(duì)將“問題”重塑為一個叫做張量網(wǎng)絡(luò)的三維數(shù)學(xué)陣列，將模擬的運(yùn)行簡化為所有張量的相乘。張教授說：“張量網(wǎng)絡(luò)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以使用許多GPU來進(jìn)行并行計(jì)算?！?/p>

與谷歌團(tuán)隊(duì)“一萬年”的預(yù)言相反，張潘教授團(tuán)隊(duì)利用512個GPU，僅通過15個小時的計(jì)算就得到了顯著的輸出結(jié)果；同時張教授表示，如果使用超級計(jì)算機(jī)，那么計(jì)算只需要幾十秒，比谷歌團(tuán)隊(duì)估計(jì)的快100億倍。量子計(jì)算機(jī)科學(xué)家多米尼克·杭萊特對此表示：“可以說，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已成功模擬出了谷歌的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

這引發(fā)了人們對量子計(jì)算機(jī)的新討論。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯科特·阿倫森說道：“我認(rèn)為他們是對的，如果有足夠大的超級計(jì)算機(jī)，就可以在幾秒鐘內(nèi)模擬出結(jié)果?！?/p>

不過，加州大學(xué)戴維斯分校的數(shù)學(xué)家格雷格·庫珀伯格及其他人表示，量子計(jì)算的前景仍沒有受到影響。而谷歌量子人工智能首席科學(xué)家塞爾吉奧·博伊索也曾說，谷歌團(tuán)隊(duì)知道它的優(yōu)勢可能不會保持很久。

他說：“在2019年的論文中，我們也提到經(jīng)典算法會有所改進(jìn)，但是，我們不認(rèn)為這種經(jīng)典方法能在2022年及以后跟上量子芯片的發(fā)展?！?/p>

在新聞發(fā)布后，有人評論道：“這說明量子計(jì)算的算法需要優(yōu)化，技術(shù)傲慢應(yīng)適當(dāng)收斂?！绷硪徊糠秩藙t表示：“汽車或火車在剛出現(xiàn)的時候，也被人質(zhì)疑沒有馬車來得有用，因此要看未來、看趨勢?！币灿腥酥С执朔N技術(shù)“競賽”，表示“兩種技術(shù)處于對抗中上升的狀態(tài)。如果不在批評中進(jìn)步，就根本不會有新技術(shù)出現(xiàn)，質(zhì)疑量子計(jì)算才能讓它成長得更好”。

量子計(jì)算對高等教育的影響

除有利于科學(xué)研究外，量子計(jì)算的發(fā)展對高等教育領(lǐng)域也有一定影響。首先，它將為學(xué)生開辟量子工程師等新職業(yè)。同時，量子技術(shù)可以精確預(yù)測就業(yè)市場，尤其是各領(lǐng)域?qū)夹g(shù)、知識型員工的需求。此外，量子計(jì)算還可以及時處理大量的學(xué)生數(shù)據(jù)，判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)短板，再加上量子計(jì)算自主設(shè)計(jì)程序的能力，有助于開發(fā)適應(yīng)學(xué)生獨(dú)特性和個人水平的應(yīng)用程序，為學(xué)生的弱勢科目提供幫助，實(shí)現(xiàn)真正的個性化學(xué)習(xí)。

目前，人們可以通過云計(jì)算訪問世界上的商業(yè)量子計(jì)算機(jī)。這些計(jì)算機(jī)包括IBM在美國、德國和日本的20多個量子系統(tǒng)裝置。借助云服務(wù)，任何人都可登錄到量子計(jì)算機(jī)，接受量子編程的基本教育。除此之外，IBM還提供量子計(jì)算的數(shù)字學(xué)習(xí)渠道，包括Qiskit Textbook、Qiskit YouTube和Qiskit Medium，并與來自120多個國家、約340門課程的教育工作者達(dá)成合作，對300余萬人進(jìn)行了量子計(jì)算教育。

什么是量子計(jì)算

量子計(jì)算，通俗一點(diǎn)說，就是利用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算的技術(shù)。同樣，量子計(jì)算機(jī)就是進(jìn)行量子計(jì)算的硬件系統(tǒng)。

量子計(jì)算機(jī)使用量子疊加、干涉和糾纏進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。量子計(jì)算不使用經(jīng)典比特（classical bits），而使用量子比特（quantum bits），其中比特既是0也是1，其系數(shù)具有概率性，被測量后，其中的離散值才能被確定。更重要的是，量子比特由量子粒子組成，受到量子糾纏的影響，這使得計(jì)算可以使用耦合概率（coupled probabilities）。借助這些特性，量子計(jì)算和量子算法開發(fā)可用來解決新問題，包括密碼學(xué)、湍流動力學(xué)、量子力學(xué)的直接模擬方法以及新藥開發(fā)。

具體來說，一個經(jīng)典的二位系統(tǒng)（two-bit system）包含4個狀態(tài)：00、01、10和11。與之相似但有所不同的是，一個2比特的量子糾纏系統(tǒng)處于4個狀態(tài)的疊加態(tài)，即4個狀態(tài)以概率分布的方式同時存在。因此，此系統(tǒng)需要4個具有相關(guān)性的新系數(shù)。進(jìn)一步說，對于N個量子比特，需要指定2N個系數(shù)組合，因此要模擬300個糾纏的量子比特，系數(shù)數(shù)量就會大于已知宇宙中原子的數(shù)量（2270個）。

由于量子比特的概率性，量子計(jì)算機(jī)無法運(yùn)行傳統(tǒng)算法，因此需要特地開發(fā)新算法。新算法的設(shè)計(jì)方式類似于電路圖，其中數(shù)據(jù)通過量子邏輯門逐步演算得出。這些算法極難建立，難點(diǎn)則在于算法結(jié)果必須具有確定性，而非概率性的。