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量子计算拥抱更多可能

  30多年前,物理学家费曼提出利用量子构建计算系统。如今,科学家正在验证这一设想。近日,中国计算机学会青年计算机科技论坛发起了一次线上分享会,探讨量子计算机的技术发展路线和前景。

  相较传统性能高

  分享会的主讲者之一、合肥本源量子计算科技有限责任公司副总裁张辉认为,量子计算并非“玄学”,在激光、超导等领域,人们已经广泛应用了量子的特性。不同的是,应用此前多在宏观层面,量子计算则要在微观层面上实现控制,这也意味着更大的难度。

草莓视频在线下载App污  量子计算机在金融分析、药物研究、材料制备等领域都具有很大优势。然而与超级计算机相比,量子计算机有何特别?

草莓视频在线下载App污  “如果用超级计算机实时规划最优路线,极限是控制几百辆汽车。未来的智慧交通要同时计算几十万辆车的出行路线,在理论上量子计算机能做到。”张辉说。

  经典计算机用0和1储存与处理数据。量子计算机的神奇之处在于,它的基本计算单元——量子比特可以同时是0和1,即允许“叠加态”共存。这让其拥有强大的并行计算能力。举个例子,假如在800万本书里找一个单词,经典计算机一本本地搜索,而量子计算机则分身为800万台计算机同步搜寻。因此有人说,在量子计算机面前,现在的计算机就像算盘。

草莓视频在线下载App污  大数分解上也是如此。曾经有科学家用1600台计算机,花了8个月的时间,成功分解了一个129位大数的质因数,如果用量子计算机可能只需几秒钟的工夫。

草莓视频在线下载App污  这一理论上的潜力,得到了令人振奋的验证。去年1月,IBM发布了全球首款商用量子计算原型机。去年10月,谷歌公司宣称用53位的专用量子芯片解决了一个随机量子线路采样的数学问题。

  进步得益于近年来量子计算工程化的推进。当前,几乎所有发达国家都把量子计算当作未来技术制高点,国内外知名的IT公司纷纷涉足量子计算。“全球量子计算创业公司超过百家,2019年是量子计算发展高光的一年。”张辉说。

  落地应用挑战多

  量子计算机前景远大,但落地应用长路漫漫。

草莓视频在线下载App污  “研发量子计算机,首先要足够多的量子比特。”腾讯量子实验室高级研究员郑亚锐解释。理论上,自然界中一切有量子效应的载体都可用作量子比特。郑亚锐说,一般认为量子比特数量要达到100万个,量子计算机才能走向实用。可当下,工业界还没有实现控制100个量子比特。

  稳定性是量子计算机落地应用的另一个重要指标,这就要求较长的相干时间,以及非常高的保真度。“提高比特数量的同时,又不降低保真度是学术界聚焦的难题。”郑亚锐提到。

草莓视频在线下载App污  经过长期探索,科学家发现超导、离子阱、超冷原子、半导体量子点都能够用于开发量子计算机。这些不同的体系,造就了量子计算机不同的技术实现路线。“每一个体系都有优缺点。”张辉说,半导体量子点路线操控方便,但相干时间很短;光学或者离子阱路线,相干时间长,但可扩展性相对差。

  目前,多数开发者选择的是超导和半导体两条路线,两者的工程化、工艺化也推进较快。开发者希望借助先进的半导体、集成电路工艺,在推进量子计算机研发之时,还为未来量子计算机与经典计算机的潜在融合埋下伏笔。

草莓视频在线下载App污  清华大学量子信息中心终身副教授金奇奂介绍说,近年来,学界对离子阱路线的基础研究很多,但直到最近几年,才开始有公司大规模开展离子阱量子计算机的研发。军事科学院国防科技创新研究院研究员强晓刚认为,集成光量子芯片技术,是实现大规模可实用化光量子计算系统的重要途径。

  从电子管到晶体管,再到集成电路,随着材料和工艺的迭代,经典计算机性能不断提升。“以此类比,量子计算还处在‘电子管的时代’。”张辉说,“也许某天人类突然发现一个完美材料,做出量子计算机就不再难了。”

  这显然不是一个人能够完成的工作。郑亚锐呼吁,目前起步阶段,企业和科研院所应该破除技术壁垒,过分强调技术保护不利于量子计算机开发。

  发展前景待探索

  信息技术的进步有时超乎人们想象。回到1946年,谁又能想到,人类首台电脑,这个重达30吨、3层楼高的庞然大物,如今可以浓缩成米粒大小。

  分享会上科学家预计,未来10至15年量子计算机有望落地应用,真正实现“量子霸权”,为未来的通用量子计算打下基础。

草莓视频在线下载App污  谈及我国量子计算机的发展水平,张辉表示,与国际“领头羊”有4—5年的差距。在他看来,这些差距主要不在科研,而在工程、工艺方面。量子计算机是一个整体,芯片之外,测控、软件、算法同样需要高度重视。“哪怕几根导线之间微弱的干扰,都会影响整体计算性能。”张辉说。

  量子计算机会不会把经典计算机挤下舞台?分享者认为,两者不是对抗关系,量子计算机不会全面替代经典计算机。经典计算机发展至今,已经能处理绝大部分日常任务,未来两者应该兼容、融合。

  开发量子计算机有较高门槛。本源量子公司成立两年来,仅硬件投入达5亿—6亿元,而量子计算的主营业务暂时没有收入。本源量子创始人之一、中国科技大学教授郭国平很有信心:“量子计算就像一个山洞,我们不知道里面有没有宝藏,但一定要有勇气冲进去,看看它到底长什么样。”

责任编辑:张薇

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