荘志剛

自20世紀(jì)40年代，電子計算機(jī)步入了飛速發(fā)展的快車道。從“電子管”到“晶體管”，從“集成電路”到“量子位”，計算機(jī)的運行速度由“高速”向“超高速”演變，算法由“簡單運算”進(jìn)化為“精準(zhǔn)計算”，安全防護(hù)由“加密處理”升級至“深度加密”，處在由“量變”到“質(zhì)變”的關(guān)鍵期。不少科學(xué)家預(yù)言，把量子力學(xué)應(yīng)用于計算機(jī)領(lǐng)域?qū)⒊蔀榕c工業(yè)革命中的“蒸汽機(jī)”、電氣時代中的“電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)”及信息紀(jì)元中的“經(jīng)典計算機(jī)”相提并論的顛覆性技術(shù)，或?qū)⒁l(fā)人類歷史上的第四次劃時代的科技變革！

量子力學(xué)嵌入電子計算機(jī)

在2018年國際消費電子展上，英特爾公司正式展示其研發(fā)的49量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)測試芯片“Tangle Lake”，相比傳統(tǒng)計算芯片，其計算單元數(shù)量大幅提升。在之后舉行的美國物理學(xué)年會上，在谷歌量子人工智能實驗室從事科研的科學(xué)家朱利安·凱莉（Julian Kelly）表示，谷歌團(tuán)隊正在測試一臺72量子比特的通用量子計算機(jī)。據(jù)稱，此臺計算機(jī)將實現(xiàn)與9量子比特的量子計算機(jī)持平的百分之一的低錯誤率！既具備超算能力，又兼具正確率，這引發(fā)了全球熱議，甚至有科學(xué)家戲稱“量子計算機(jī)即將走進(jìn)尋常人家”！

回顧量子計算機(jī)的發(fā)展歷程，1981年是一個必須說的年份。是年，美國著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）首次提出量子計算機(jī)的概念，指出通過應(yīng)用量子力學(xué)效應(yīng)，能大幅提高計算機(jī)的運算速度。經(jīng)典計算機(jī)需幾十億年才能破譯的密碼，量子計算機(jī)在20分鐘內(nèi)即可破解。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）教授首次應(yīng)用量子算法進(jìn)行數(shù)的質(zhì)因子分解，證明量子計算機(jī)能完成對數(shù)運算，且速度遠(yuǎn)勝經(jīng)典計算機(jī)，這是在量子計算機(jī)理論提出十多年后的第一次成功實驗。2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16個量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)，但其作用僅限于解決某些最優(yōu)化問題，與學(xué)界公認(rèn)的能進(jìn)行超算活動的量子計算機(jī)有較大差距。至此，量子計算機(jī)的研發(fā)陷入瓶頸。之后，經(jīng)過數(shù)年的沉浮期，量子計算機(jī)的研發(fā)在21世紀(jì)的第二個十年呈現(xiàn)爆發(fā)式的發(fā)展態(tài)勢，逐步由“實驗室階段”向“工程應(yīng)用階段”邁進(jìn)。

在學(xué)界普遍的認(rèn)知中，量子比特數(shù)值越高，對應(yīng)的量子計算機(jī)的估算能力就越強(qiáng)大。隨著學(xué)界對量子計算機(jī)研發(fā)的愈發(fā)重視，微軟、谷歌、英特爾、IBM、阿里巴巴等科技巨頭企業(yè)紛紛進(jìn)軍量子計算機(jī)科研領(lǐng)域，在搶奪量子霸權(quán)的高地上進(jìn)行著激烈的PK（詳見圖表）。

那么為什么學(xué)界和科技企業(yè)均會加碼量子計算機(jī)，紛紛搶奪量子蛋糕呢？答案或許就在于量子計算機(jī)的“快”！

量子計算機(jī)的“快”

谷歌量子計算專家約翰·馬丁尼（John Martinis）在2017年11月接受《自然》雜志采訪中表示，“一臺50個量子比特的量子計算機(jī)的計算能力和運算速度將超過世界上任何計算機(jī)，能解決經(jīng)典計算機(jī)所解決不了的問題”。目前，世界上超算能力最強(qiáng)的經(jīng)典計算機(jī)是“神威·太湖之光”超級計算機(jī)，其峰值運算性能為12.5億億次/秒，持續(xù)性能為9.3億億次/秒。而一臺50個量子比特的量子計算機(jī)，其持續(xù)性能為1125億億次/秒，超算能力瞬間秒殺前者。

另一方面，量子計算機(jī)的超算又造成其對海量信息的分析功能異常強(qiáng)大，能同時進(jìn)行的運算更多。比如，量子計算機(jī)可以從龐大的排列組合中尋找最佳的正確答案。日本電報電話公司物理性科學(xué)基礎(chǔ)研究所研發(fā)的超高性能新型量子計算機(jī)，能在按關(guān)系親疏分組的2000人的測試中，以千分之五秒的速度得出正確答案，其速度約為目前最快的大型計算機(jī)的100倍。又比如，隨著人臉識別在公共安全領(lǐng)域的深度應(yīng)用，如何處理人臉識別數(shù)據(jù)成為一大難題。量子計算機(jī)可以瞬間處理監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中60億人次的臉部圖片，并實時辨別出一個人的身份信息。在擁有如此強(qiáng)大能力的背后，其秘訣在于“量子比特”。

何為量子比特

解釋量子比特，要從經(jīng)典計算機(jī)的存儲單位“比特”說起。我們普遍使用的經(jīng)典計算機(jī)的存儲單位是“比特”（Bit），應(yīng)用的是二進(jìn)制編碼。因此，比特值要么是0，要么是1。其運算能力受限的根源就在于二進(jìn)制編碼。然而，量子計算機(jī)的運行規(guī)則就不同了。其最小的存儲信息單位是“量子比特”。一個量子比特可以表示0，也可以表示1，更可以表示0和1的疊加。這意味著量子比特可處在0和1兩種狀態(tài)按照任意比例的疊加，可進(jìn)行同步運算，即“量子疊加”。比如，一個放置于磁場中的原子，處于陀螺旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。它的旋轉(zhuǎn)軸既可以向上指，也可以向下指，還能向左、向右、向前、向后指。這好比分布在單位球表面上的任意一點的量子比特，其包含的信息量遠(yuǎn)超過只能向前或向后指的經(jīng)典比特。除此以外，兩個量子比特還可以共享量子態(tài)。分處兩地的兩個量子比特能產(chǎn)生共享，在量子疊加的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出更強(qiáng)的疊加效應(yīng)，即“量子糾纏”。

這就是量子計算機(jī)超強(qiáng)信息處理能力的源泉。如同一個人面前有數(shù)十條路，只有一條路可以通往目的地。經(jīng)典計算機(jī)會一條又一條路進(jìn)行逐個試錯，耗時又費力。但量子計算機(jī)卻可以如同孫悟空似的變出無數(shù)個跟自己一模一樣的猴子猴孫。盡管也是每條路都嘗試，但卻是“同時行走、平行估算”。這相當(dāng)于一臺經(jīng)典計算機(jī)變成了無數(shù)臺經(jīng)典計算機(jī)，效率并非線性增長，而是指數(shù)增長！

重構(gòu)世界的量子計算機(jī)

通過量子疊加和量子糾纏進(jìn)行數(shù)據(jù)運算，量子計算機(jī)借助著先天的“快”，或?qū)⒅匦露x程序和算法，在加密通信、藥物設(shè)計、交通治理、天氣預(yù)測、人工智能、太空探索等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，顛覆了現(xiàn)今的普遍認(rèn)知。

模擬藥物成分碰撞，更高效地研發(fā)藥物

開發(fā)一種新藥是復(fù)雜的過程。藥劑學(xué)家們需開展無數(shù)不同分子組合方式的試驗，從而找到有效治愈某種疾病的藥物特性。此過程可能持續(xù)數(shù)年，耗費大量的人力物力財力。但在后期實驗時，仍然會有不少組合失敗。

與當(dāng)前所用方式相比，量子計算機(jī)為人類基因分析排序的速度也更快，能在短期內(nèi)繪制數(shù)以萬億計的分子組合模式，并迅速確定最有可能生效的組合。這將極大地節(jié)省藥物的研發(fā)成本，為個性化配藥和醫(yī)療保健方案提供依據(jù)。比如，人類基因組中編碼的蛋白質(zhì)有2萬個。借助量子計算機(jī)，能快速分析特定藥物分子與特定蛋白質(zhì)的相互作用，模擬藥物在人體內(nèi)的點對點化學(xué)反應(yīng)，建立醫(yī)學(xué)模擬的新模型，大幅降低新藥品的試錯率。同理，在材料和微納制造、化學(xué)用品合成等方面也能適用。

規(guī)劃最優(yōu)出行路線，解決交通擁堵

從交通綜合治理的角度而言，量子計算能迅速對復(fù)雜的交通狀況進(jìn)行分析研判，調(diào)度綜合交通系統(tǒng)，最大限度避免道路擁堵。結(jié)合目前通信衛(wèi)星采集的大量照片和視頻資料，量子計算機(jī)能夠以比經(jīng)典計算機(jī)或人腦快得多的速度篩選海量數(shù)據(jù)，向我們提供哪些數(shù)據(jù)是有分析價值的，哪些是可以忽略的。這就大大地簡化了空中和地面交通控制的工作量，提速了數(shù)據(jù)分析的質(zhì)效。

從個人出行選擇的角度而言，量子計算機(jī)能為個人出行制定個性化出行方案。若你計劃旅行，期間在10個不同的地點停留，經(jīng)典計算機(jī)需單獨計算所有可能路線的長度，再篩選出最佳路線。而量子計算機(jī)能同時計算所有路線的長度，以更快的速度篩選出最佳路線。

即時全面的數(shù)據(jù)分析，更高精準(zhǔn)度的天氣預(yù)測

量子計算機(jī)初創(chuàng)企業(yè)QxBranch的董事會成員雷伊·約翰遜（Ray Johnson）認(rèn)為“即便通過最尖端的儀器分析溫度、壓強(qiáng)等天氣指標(biāo)，也會出現(xiàn)不確定性，造成了氣象模擬的不精準(zhǔn)”。但量子計算機(jī)卻能一次分析當(dāng)天所有的天氣指數(shù)，為氣象預(yù)測師提供更精準(zhǔn)的應(yīng)用模型，精確顯示何時何地將出現(xiàn)惡劣天氣。一旦我們能提前預(yù)知颶風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害天氣，就將有更多的時間提前做好準(zhǔn)備，從而拯救更多的生命！谷歌工程主管哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）亦指出“量子計算機(jī)對天氣預(yù)測的意義在于讓我們深入了解更多有關(guān)氣候如何變化的趨勢，更深入地分析人類與自然環(huán)境的相互作用”。

輕松破譯RSA算法，更安全的加密通信

作為現(xiàn)在常用的加密算法，RSA算法在密碼防護(hù)方面具有重要作用。若用400位數(shù)的整數(shù)來做一個RSA密鑰，依托現(xiàn)在最強(qiáng)的經(jīng)典計算機(jī)需60萬年才能完全破譯。但一臺有相當(dāng)存儲功能的量子計算機(jī)，三個小時便能破譯，且三個小時是最保守的估計！滑鐵盧大學(xué)量子計算研究所共同創(chuàng)立人米歇爾·莫斯卡曾警告：“量子計算機(jī)的出現(xiàn)，將令現(xiàn)行公鑰密碼工具，有七分之一的可能到2026年就會崩潰，2031年這一可能性將躍升至百分之五十。”

破譯和加密就如同一枚硬幣的兩面，量子計算機(jī)在加密方面也有巨大的前景。1984年，基于量子力學(xué)測量原理的“量子密鑰分配”BB84協(xié)議被正式提出。歷經(jīng)數(shù)十年的實驗室研發(fā)，以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術(shù)已逐漸走向?qū)嵱没?。其核心理論是允許某人發(fā)送信息給其他人，但只有使用量子密匙解密后才能閱讀信息。若第三方攔截密匙，信息會變得毫無用處，也沒人能夠再讀取它。因此，信息收發(fā)者通過量子頻道設(shè)定密鑰，基于測不準(zhǔn)原理，任何覬覦信息的竊聽者都會破壞數(shù)據(jù)并使得收發(fā)雙方發(fā)現(xiàn)，這就保證了沒有人能在不被當(dāng)事人發(fā)現(xiàn)的情況下竊取信息，確保了信息的平衡安全。比如，我國天宮二號上載荷的“量子密鑰分配專項”通過天上發(fā)射一個個單光子并在地面接收，生成“天機(jī)不可泄露”的量子密鑰。又比如，世界第一條量子保密通信主干線路“京滬干線”，也運用了量子密鑰分配技術(shù)，旨在提高我國在軍事國防、銀行、金融系統(tǒng)的信息安全。

更高效地模擬大腦機(jī)制，AI不再遙遠(yuǎn)

盡管經(jīng)典計算機(jī)對于目前人工智能的發(fā)展多有裨益，在一定程度上促進(jìn)了人工智能技術(shù)與電子計算機(jī)的融合，但經(jīng)典計算機(jī)在情感、創(chuàng)造、聯(lián)想等人腦深層次功能的開發(fā)方面仍然表現(xiàn)得捉襟見肘，制約了人工智能技術(shù)的深度發(fā)展。學(xué)界對人工智能核心資源的普遍認(rèn)識是運算能力。二進(jìn)制編碼和摩爾定律決定了經(jīng)典計算機(jī)的運算能力已經(jīng)遭遇了瓶頸。而量子計算機(jī)的量子疊加和量子糾纏效應(yīng)足以模擬大腦的復(fù)雜運作機(jī)制，人工智能賴以發(fā)展的核心資源得以迎刃而解，人工智能就有可能突破聯(lián)想力、創(chuàng)造力、思考力和情感力的掣肘。比如，自我糾錯功能。在量子計算機(jī)中，程序員可以憑借其超算能力，建立自我修改出現(xiàn)亂碼的程序代碼，形成機(jī)器的自我糾錯學(xué)習(xí)。這就類似于Facebook新聞流會根據(jù)你的“點贊”而進(jìn)行相應(yīng)變化。只不過，上述運行程序更加復(fù)雜而已。顯然，量子計算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)可輔助人類更快、更高效、更準(zhǔn)確地處理更多的事情?；蛟S，某一天，量子計算機(jī)功能的持續(xù)改善真會促使半自動車輛、無人駕駛和其他更先進(jìn)的人工智能的誕生。

加速太空探索，尋找第二個地球

目前，人類對太空探索最廣泛使用的專業(yè)工具是“開普勒太空望遠(yuǎn)鏡”。利用開普勒太空望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家已經(jīng)在太陽系外發(fā)現(xiàn)近2000顆系外行星。開普勒的任務(wù)還包括盯緊這些行星，等待它們從宿主恒星前面通過等。天文學(xué)家可以根據(jù)系外行星投射下的陰影，分析和預(yù)測這些行星運行軌道、大氣狀況、是否有生命生存、是否有類地球現(xiàn)象……

量子計算機(jī)對于加速太空探索同樣具有重要意義！從開普勒太空望遠(yuǎn)鏡觀察到的海量數(shù)據(jù)信息中，量子計算機(jī)可以快速確認(rèn)哪些行星最有可能適合生命生存，迅速識別存在的生命體，探索2000顆系外行星以外更廣袤的太空……顯然，已經(jīng)有國家或者企業(yè)意識到了這種可能性。比如，美國國家航空航天局（NASA）指令下屬的非營利組織大學(xué)太空研究聯(lián)盟開展一項計劃，由谷歌和NASA共同自主研發(fā)一臺和D-Wave同類型的量子計算機(jī)，用以探索宇宙奧秘。2018年3月，谷歌推出了超導(dǎo)量子處理器Bristlecone。據(jù)谷歌介紹，這個新的量子計算機(jī)芯片有72個量子位。當(dāng)它達(dá)到300個量子位時，預(yù)計可以執(zhí)行比已知宇宙中的原子還要多的超算。也許，在不久的某一天，宇宙中的第二個地球?qū)⒈涣孔佑嬎銠C(jī)鎖定。

重塑世界任重而道遠(yuǎn)

但不可否認(rèn)的是，目前量子比特的實現(xiàn)方式仍然存在不少缺陷和亟待改進(jìn)的地方?；诠庾印⒊瑢?dǎo)環(huán)、離子阱、半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)等不同物理載體實現(xiàn)的量子計算機(jī)亦各有優(yōu)劣。比如，超導(dǎo)環(huán)容易控制，但相干時間卻極短；又比如，光子雖然相干時間較長，但卻難以觀測和控制；再比如，離子阱盡管相干時間較長且易于控制，可是由于需要頻繁的激光操作，因此效率并不高。正如量子信息界權(quán)威人士查爾斯·本內(nèi)特（Charles Bennett）教授所言，“現(xiàn)在的量子計算機(jī)或許只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是五年，十年，甚至是更久以后”。

值得注意的是，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)的是信息數(shù)據(jù)采集方式多樣化，比如監(jiān)控、語音識別、物聯(lián)網(wǎng)、軌跡定位，而缺乏快速準(zhǔn)確處理海量信息數(shù)據(jù)的載體，經(jīng)典計算機(jī)顯然無法滿足此種需求。因此，可以預(yù)見量子計算的黃金時代已經(jīng)到來，它將為運算帶來“指數(shù)級加速、超低的錯誤率、更高效地得出答案”的美好前景，讓我們拭目以待！

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com