专栏名称: 传感器技术

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量子计算未来已来？

传感器技术 · 公众号 · · 2022-11-10 07:02

正文

“自然界并不完全是按照经典力学来运转的，如果你想对自然界进行模拟，你最好采用量子力学的方式。”

这是1981年5月，美国理论物理学家理查德·费曼在一场演讲中提出的一种想法——用量子计算机来模拟经典计算机难以模拟的量子系统的演化。在费曼这一影响深远的演讲之后，关于量子计算的研究便轰轰烈烈地展开了。

如今，距离这场演讲已经过去40年，包括量子计算在内的整个量子信息学科也从最初鲜少有人关注到成为前沿科技领域的焦点之一。从基础理论到突破性的实验进展，量子计算正逐步走进现实。

就在刚过去的10月份，2022年的诺贝尔物理学奖颁发给了三位量子信息科学领域的科学家——阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格，以表彰他们在量子信息科学方面作出的突出贡献。

图：2022年诺贝尔物理学奖获得者

图源：诺贝尔奖官网

近两年，与量子计算相关的资讯越来越多，但量子计算本身十分抽象，与传统计算相比要更加复杂，以至于外界对量子计算或量子力学的调侃在网络上广为流传，比如“遇事不决，量子力学”“科学的尽头是玄学”等。

那么，到底什么是量子计算？我们又该如何正确理解这个技术和产业的价值？

打破“后摩尔时代”的算力危机

当下，人类社会正朝着“数智时代”前进，海量数据及其在提升经济社会效益方面起到的巨大作用，使得处理数据所需要的算力的重要性愈加凸显，进一步提升算力也因此成为数字社会发展的迫切需求。

自经典计算机发明以来，算力增长一直遵循“摩尔定律”。根据该定律，单位面积上的晶体管的数量每18个月将翻倍一次，与之相应的是计算机性能（即算力）也随之翻倍。

图：Intel芯片

图源：Pixabay

然而，传统计算机所用的硅电芯片上的晶体管的数量，将逐渐达到物理极限，硅电芯片发展所面临的瓶颈——算力、数据传输和存储也日渐凸显。

为了应对算力挑战，打破“后摩尔时代”的算力危机，目前先进计算技术从单点计算性能的提升与算力系统的高效利用两个方向着手突破，产业界已经出现多种具有广泛市场前景的算力技术和硬件。而在各类算力相关的技术中，量子计算尤为受关注。

一般来说，量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，它与现有计算模式完全不同。在理解量子计算的概念时，通常将它与经典计算相比较。经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算，而二进制总是处于0或1的确定状态。量子计算借助量子力学的叠加特性，能够实现计算状态的叠加。它不仅包含0和1，还包含0和1同时存在的叠加态。

图：薛定谔的猫

来源：pixabay

这种叠加态，我们可以用“薛定谔的猫”来形象化地进行阐释。1935年，奥地利物理学家薛定谔提出了一个关于猫的著名思想实验，在这个实验里，一只猫和少量放射性物质被放进一个盒子里，猫被放射性物质杀死的概率为50%。从经典物理学的角度来看，在盒子里的猫只有两种结果：生或死。而结果只有当观测者打开盒子时才能知道。而站在量子力学的视角，处于密闭盒子中的猫的生死状态是一种不确定的叠加状态，只有当盒子打开后，在外部观测者观测时，物质以粒子形式表现后，猫是死是活的状态才能确定。而关在盒子里的猫生死叠加的状态，正是量子的叠加性的宏观阐述。

科学家们认为，基于量子的叠加特性，量子计算机在特定任务上的计算能力将会远超任何一台经典计算机。这就是所谓的“量子计算优越性”或“量子霸权”。科学家们预计，当可以精确操纵的量子比特超过一定数目时，量子计算优越性就可能实现。

超越“图灵”的新可能

1936年，阿兰·图灵以一篇著名的论文《计算机器与智能》宣告了现代计算机科学的诞生，自此，人类开始步入机器智能时代。与图灵思想相关的理论也成为“统治”经典计算机领域此后几十年发展的主流理论，例如“强邱奇-图灵”论题（任何算法过程都能用图灵机有效仿真）。

但人类总是在对自我的挑战中获得更大的发展，对“强邱奇-图灵”论题的挑战也推动了量子计算机的诞生。简单来说，量子计算机就是使用量子器件制造，利用量子的叠加与纠缠特性，运行量子算法与量子软件的新型计算设备。在处理某些特定问题上相对于经典计算机具有指数级别的加速优势。

谷歌在 2019 年推出了名叫“悬铃木”的量子计算机，率先宣布实现了量子优越性，“悬铃木”包含53个量子比特的芯片，花费200秒就可以对一个量子线路取样一百万次，如果用当时世界排名第一的超级计算机“Summit”完成同样的任务则需要一万年。

尽管IBM的科学家对Google宣称实现了“量子优越性”存有异议，但这一突破无疑是量子计算领域的一项重大技术进步，也因此，“量子优越性”被《麻省理工科技评论》评选为2020年“全球十大突破性技术”之一。

过去 20 年里，多项与量子计算相关的技术入选《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”，包括2003 年入选的“量子密码”、2005 年的 “量子导线”、2018 年入选的“材料的量子飞跃”、2020年入选的“量子优越性”等。

现阶段，量子计算虽然还处于发展早期，但也已经开始对金融、医疗、通信等多个行业带来影响。业界认为，量子计算将在新药开发、人工智能发展、破解加密算法、气象预报、石油勘探等领域有很好的应用前景，并可揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材料制造和新能源开发等奠定科学基础。

麦肯锡咨询公司一份关于量子技术的检测研究则显示，2021年量子计算市场的资本投入持续飙升，其中，制药、化工、汽车和金融这四大行业将有望成为量子优势的关键受益行业。根据DeepTech发布的《2022先进计算七大趋势》报告，2021 年度量子计算硬件及软件公司共完成42笔融资，融资总额约26.91亿美元，超过以往的总和。

2022年8月，波士顿咨询集团发布的一份报告预计，量子计算在未来15到30年内，将创造450亿-8500亿美元的价值。量子计算的远大前景也吸引了国家、企业竞相展开产业布局与技术研发。

2022年9月13日，世界经济论坛发布《量子计算现状：构建量子经济》报告指出，2022年，量子技术相关的公共和私人投资总额达到355亿美元。

全球知识产权综合信息服务商IPRdaily中文网发布的全球量子计算技术发明专利排行榜（TOP100）显示，截至2022年10月18日，全球公开的量子计算领域发明专利申请数量前100名企业主要来自18个国家和地区，其中美国占比40%，中国占比15%，日本占比11%。

榜单上，位列前三的美国科技公司IBM、Google和加拿大量子计算公司D-Wave分别拥有1323件专利、762件专利和501件专利；来自中国的本源量子和百度网讯分别以234件专利、186件专利跻身前十，分列第六位和第八位。

从专利数据来看，全球量子计算产业正处于高速发展阶段。国内外多个企业都在量子计算领域积极布局并取得不错的成果，我国也迎来了量子计算研究的里程碑时刻。

进击的中国量子计算

在我国，量子计算产业的发展受到政策的高度支持。其中，2015年5月，国务院颁布的《中国制造2025》中提到：积极推动量子计算、神经网络等发展，将量子通信纳入新一代信息技术产业；2016年7月，国务院发布的《“十三五”国家科技创新规划》中，量子通信与量子计算机被选择纳入体现国家战略意图的重大科技项目之一；2022年1月国务院发布的《“十四五”数字经济发展规划》提出要瞄准传感器、量子信息等前瞻性领域，提高数字技术基础研发能力。

在政策带动下，中国量子计算赛道也迎来快速发展。2020年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建出76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，实现了 “高斯玻色取样” 任务的快速求解。“九章” 处理高斯玻色取样的速度，比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，比谷歌超导比特量子计算原型机 “悬铃木” 快一百亿倍。举例来说就是，在室温下运行并计算玻色采样问题，同样处理 100 亿个样本，“九章” 需要 10 小时，超级计算机需要 1200 亿年。此后，中科大潘建伟教授与中科院上海微系统与信息技术研究院等多方进行合作，成功打造出量子计算原型机“九章二号”。“九章二号” 高斯玻色取样任务快速求解速度再次刷新了国际光量子操纵的技术水平。

图：“九章”量子计算机原型

图源：中国科学院官网

除九章和九章二号之外，2021年，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与中国科学院上海技术物理研究所合作，构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。“祖冲之二号”的求解速度比全球最快的超级计算机快1000万倍以上，计算复杂度比谷歌的“悬铃木”提高了6个数量级。

企业方面，两家在量子计算专利数量上位列全球前十的企业——百度和本源量子所取得的成果也令人瞩目。今年8月，百度发布超导量子计算机“乾始”和首个全平台量子软硬一体解决方案“量羲”，集量子硬件、量子软件、量子应用于一体，提供移动端、PC端、云端等在内的全平台使用方式。本源量子在2021年9月10日发布的未来五年量子计算技术规划路线图显示，到2025年，本源量子将突破1000位量子比特，达到1024位量子比特。

来源：麻省理工科技评论

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