【量子科技系列之二】量子计算：打破经典计算机的性能天花板

上期我们为大家相信季解读了量子科技的第一大应用：量子通信。而这期我们将会更深入一些地与大家讨论关于量子计算的话题，那么首先可能大家会疑惑，究竟什么是量子计算？它与经典计算有何差别呢？

首先，我们知道计算机芯片是由电路的逻辑门组成，而每个逻辑门则是由晶体管组成，而在最新的制程工艺下，一块芯片里能塞入数亿的晶体管，晶体管是能让计算机处理数据的最基本单元，从功能上来说它像个开关，可阻挡或允许电流通过并形成高低电信号，组成了数据，单位为比特（bit），1个比特可分为0和1两种状态，比特位数越多，能表示的数也就越大。

而如今的晶体管已经可以做到几纳米的大小，仅有数个原子的大小，比如5nm就相当于40个硅原子的尺寸，而且按照摩尔定律，这个尺寸应该还会持续缩小，但恰恰因为它的尺寸太小，电子有时会无视它的阻碍，直接通过已关闭的三极管开关，这种现象就被称为量子隧穿。当量子隧穿规模达到数亿级别时，显然就会对应用造成明显影响，晶体管尺寸就摸到了“天花板”。

也就是说，经典计算机已经达到了所谓的“量子极限”，电子的行为已经不能单纯地再用“电流”的概念来描述，几十年积累的集成电路设计已经达到极限，而现在能走的路无非两条，其一是不断改进工艺或更换材料，以尽量逼近这个极限，其二就是拥抱量子特性来进行计算，包括电子、超导线圈、冷原子甚至光子都有潜力成为量子计算的载体，那么量子计算与经典计算的差别在哪呢？

▲庞大的并行数据量是量子计算机“高速”的本质

正如前文所述，在经典计算机中，我们得到的结果可确定的，不是0就是1，也就是每一个经典比特只能得到记录两个数值。但量子计算机并不相同，每一个量子比特（Qubit）可以处于叠加态，数据量呈形态几何增长，以一个4bit计算模型为例，它总计有16种组合也就是16个不同的数据，在某一个时刻经典计算机只可能处于其中1种状态，也就是只能记录1个数据，而量子比特因为处于叠加态，所以可以同时处于16种状态中，当探测器使用不同的方式去确定就能得到不同的数据，换言之就是对于一个4bit计算模型，1台量子计算机就等于16台经典计算机并行工作。所以量子比特越大，量子计算机的并行优势就越大。

除此之外，在量子通信中起到关键作用的量子纠缠在量子计算里也能起到很重要的作用，因为量子纠缠的特性是一个量子比特的变化引发与之纠缠的另一个量子同步变化，也就是计算1个量子比特就能得到另一个量子比特的数据，这同样又加强了并行计算的效率。

从应用来说，量子计算机超强的并行处理性能让它在特定领域可获得惊人的效率优势，加州理工学院理论物理学家John Preskill在2011年的一次演讲中提出了“量子霸权”的概念，而实现“量子霸权”的标准就是比经典计算机更好地解决一个特定计算问题。

在数据库海量数据中进行检索时，传统计算机需遍历其中所有可能的匹配才能找到最终结果，而利用量子计算机中的匹配算法去寻找结果可节省数倍时间；在信息安全领域，经典计算时代的密钥本身是一个字符串，而字符串是可以通过穷举法来进行暴力破解的，只是经典计算机的算力限制，使得破解所需的时间非常漫长，而量子计算机的落地会让暴力破解的难度骤减，所以对安全领域也将会是一次重大的冲击；在医学领域，注入蛋白质模型模拟对传统计算机来说是很大的挑战，往往需要接入超级计算机才能解决，而量子计算机的出现也将大大降低分子、原子甚至量子模拟的技术门槛，对医学技术的推动力不言而喻。

▲安装在制冷机上的谷歌Sycamore量子计算机，正在进行化学模拟

从历史角度来看，量子计算机仍处于“婴儿期”，2016年IBM率先研发出世界上第一个基于5位超导量子计算机的量子云平台IBM Q Experience，目前，IBM已经有22台公开的量子计算机，先后有100多家企业单位和科研机构使用了其提供的量子计算云服务。2019年亚马逊、微软先后上线了量子计算云平台Braket与Azure Quantum。2019年10月24日《自然》杂志刊发了谷歌公司的一篇论文，在该论文中谷歌表示其开发出一款54量子比特数（其中53个量子比特可用）的超导量子芯片“Sycamore”，对一个53bit、20深度的电路采样一百万次只需200秒，而目前最强的经典超级计算机Summit要得到类似的结果需要一万年。

中国科学技术大学量子物理与量子信息研究部教授朱晓波认为，在一个计算复杂度被严格证明的问题上，谷歌发表的研究成果是人类首次证实量子计算机相较于经典计算机有压倒性优势，因此有着重要的里程碑式意义。但显然，量子计算机的赛道才刚刚打响信号枪，这也就为我国量子计算的追赶提供了时间上的契机。

▲国产量子计算机云平台在性能上并没有落后国际一线太多

9月12日，由中国科学技术大学郭光灿院士团队的成果转化企业，合肥本源量子计算科技有限责任公司研发的超导量子计算云平台“悟源”正式上线。“除了机箱，也就是制冷机，其它的我们都是能够自主可控研发，或者来找国内的厂商来制造的。”本源量子计算公司副总裁张辉表示。虽然起步较晚，但此次我国企业自主研发的量子计算云平台性能不容小觑，据本源量子的官方数据显示，对比2017年IBM量子云平台上公布的量子逻辑门保证度和量子读取保证度等数据，本源量子公司此次推出的量子计算云平台目前的水平能够超过IBM在2017年建立的云平台水平（5个量子比特）。

但不得不说的是，目前悟源平台采用的是6个量子比特的“夸父”芯片，与目前IBM云平台的50个量子比特系统还是有较大的差距，仍需时间来追赶。而外层制冷机最早在明年也能见到国产产品面世，也就是最早在明年就能实现量子计算机的全国产化。

编辑观察：

据波士顿咨询发布的报告预测，在不考虑量子纠错算法的进展情况下，2035年全球量子计算应用市场规模将达到近20亿美元，2050年将暴涨到的2600亿美元。若量子计算技术迭代速度超出预期，2035年市场规模即可可突破600亿美元，2050年则有望飙升至2950亿美元。所以，这是一个次世代级别的超大规模市场，无论从商业、社科、国家安全等诸多领域，都是“兵家必争之地”，现在加码力推国产量子科技产业可以说是最正确的时机，未来值得期待。

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