◎郭光燦 院士

6月15日，在第二屆“強(qiáng)網(wǎng)論壇”主論壇上，郭光燦院士作了題為《量子計(jì)算機(jī)的研究進(jìn)展》的主題報(bào)告。郭院士指出，量子計(jì)算機(jī)是量子信息領(lǐng)域最具顛覆性的技術(shù)，也是難度最大的技術(shù)。他從量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、與電子計(jì)算機(jī)的區(qū)別、目前的研究進(jìn)展和未來(lái)發(fā)展等方面進(jìn)行了深入介紹。本文由《網(wǎng)信軍民融合》雜志根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)演講整理。

量子計(jì)算機(jī)是量子信息領(lǐng)域最具顛覆性的技術(shù)，也是難度最大的技術(shù)。大家很關(guān)注它的研究進(jìn)展，這就是本文要闡述的主要內(nèi)容。

一、量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

量子計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)最大的區(qū)別在于：量子計(jì)算機(jī)是并行運(yùn)算模式，電子計(jì)算機(jī)是串行運(yùn)算模式。量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以提高數(shù)據(jù)處理的速度。在下列幾個(gè)方面有著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：一是可以改變某些問(wèn)題的計(jì)算復(fù)雜度。如果一個(gè)問(wèn)題在電子計(jì)算機(jī)是NP問(wèn)題，比如大數(shù)分成兩個(gè)素?cái)?shù)，電子計(jì)算機(jī)是難以計(jì)算的。量子計(jì)算機(jī)可以將其變?yōu)镻問(wèn)題，很容易計(jì)算。當(dāng)然，目前的量子算法沒(méi)法證明所有電子計(jì)算機(jī)的NP問(wèn)題都可以變成P問(wèn)題。二是對(duì)于電子計(jì)算機(jī)上的P問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)有加速運(yùn)算的功能。比如說(shuō)搜尋問(wèn)題，在電子計(jì)算機(jī)上需要運(yùn)算N次，而量子計(jì)算機(jī)只要次。搜尋問(wèn)題是我們經(jīng)常用的問(wèn)題，這個(gè)可以在很多方面發(fā)揮作用。三是模擬計(jì)算問(wèn)題，比如說(shuō)制造藥物，需要先在計(jì)算機(jī)上模擬，看哪一種藥效更好，這涉及到多體系統(tǒng)的模擬，電子計(jì)算機(jī)需指數(shù)上升的時(shí)間，而在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬，就是P問(wèn)題。所以，量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后，在藥物制備方面就可以以極快速度進(jìn)行篩選。

郭光燦院士

量子計(jì)算機(jī)同電子計(jì)算機(jī)的功能一樣，都是用來(lái)解數(shù)學(xué)問(wèn)題，不同的是，量子計(jì)算機(jī)用的是量子芯片，采用并行運(yùn)算模式。電子計(jì)算機(jī)用的是電子芯片，采用串行運(yùn)算模式。所以，量子計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度更快。量子計(jì)算要算一個(gè)函數(shù)，需要找到合適的量子算法進(jìn)行編程，用這個(gè)程序控制量子計(jì)算機(jī)，讓它按人們的需要運(yùn)行，最后把問(wèn)題計(jì)算出來(lái)。這就是量子計(jì)算大概的構(gòu)成。

二、量子計(jì)算機(jī)的研究進(jìn)展

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)涉及到很多方面的問(wèn)題，包括硬件問(wèn)題（如量子芯片、操控系統(tǒng)、量子測(cè)量等）、軟件問(wèn)題（如量子算法、量子編碼、量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等）以及量子材料等。就量子材料而言，用于制備量子芯片的材料必須是特殊材料，要量子相干時(shí)間長(zhǎng)、操作快?，F(xiàn)在還沒(méi)有這種材料，如果有了這種材料，量子計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)要求非常高，需要的量子比特非常多，所以很多體系演示一個(gè)、兩個(gè)或者十個(gè)、八個(gè)可以，最終做到集成，若演示成千上億個(gè)就很難。現(xiàn)在研究的多是固態(tài)的超導(dǎo)、半導(dǎo)體，它的集成性好，但是有一個(gè)缺點(diǎn)，量子相干性非常差，因?yàn)楣虘B(tài)很復(fù)雜，在周?chē)h(huán)境的作用下其相干性就消失了，量子的優(yōu)點(diǎn)也就沒(méi)了。由于找不到合適的物理體系可以做量子芯片，長(zhǎng)期人們對(duì)量子計(jì)算機(jī)體系實(shí)現(xiàn)沒(méi)有信心。最近量子點(diǎn)的相干時(shí)間達(dá)到200微秒，使人們又重拾對(duì)研制量子計(jì)算機(jī)的熱情。我國(guó)起步比較晚，2001年才開(kāi)始做，目前已經(jīng)做到三個(gè)量子比特，正在做4個(gè)量子比特。國(guó)際上，雖然現(xiàn)在超導(dǎo)做得比較好，但超導(dǎo)量子相干性非常差，科學(xué)家們花了13年的時(shí)間把它提高了5萬(wàn)倍，達(dá)到100微妙，加快了量子計(jì)算的步伐。這就是最近幾年超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的原因。

美國(guó)政府2016年宣布在5年之內(nèi)要做幾十個(gè)量子比特、供科學(xué)家研究的量子計(jì)算機(jī)。美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室都在搞量子計(jì)算，而且不是遙遙無(wú)期，已經(jīng)很有可能了。歐洲《量子宣言》指出，打算15年內(nèi)把可以實(shí)際用的通用量子計(jì)算機(jī)或者至少把樣機(jī)做出來(lái)?，F(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)發(fā)展勢(shì)頭良好，在半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)方面，美國(guó)軍方、澳大利亞已經(jīng)做到兩個(gè)量子比特。

近期，IBM公司的量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)研制出來(lái)了，是可以獨(dú)立的量子計(jì)算機(jī)。它把所有操作系統(tǒng)和所有的軟件都放進(jìn)去了，所以可以移動(dòng)，可以當(dāng)商品賣(mài)，是第一臺(tái)可以實(shí)際移動(dòng)的量子計(jì)算機(jī)。但是這臺(tái)機(jī)器只有20個(gè)量子比特，所以它的功能比較差，能力有限。可以看出，量子計(jì)算機(jī)正處在從晶體管到集成電路過(guò)渡發(fā)展的階段。其實(shí)，一個(gè)真正實(shí)用的通用量子計(jì)算機(jī)的物理量子比特要達(dá)到上千萬(wàn)位，相干時(shí)間要足夠長(zhǎng)，還要能夠抵抗各種各樣的干擾，能采用量子容錯(cuò)技術(shù)?？梢钥闯觯@兩個(gè)指標(biāo)是連在一塊的，都非常難達(dá)到。這就是為什么通用量子計(jì)算機(jī)離我們還非常遠(yuǎn)的一個(gè)困難所在。要判斷一個(gè)量子計(jì)算任務(wù)能不能完成，有一個(gè)參數(shù)稱(chēng)為Q值，它是相干時(shí)間與操作時(shí)間的比值，即可以有效操作的次數(shù)。如果某個(gè)問(wèn)題所需要的操作步驟不高于Q值，就可以拿這臺(tái)機(jī)器完成這個(gè)任務(wù)，如果不夠，就必須提高Q值。如果它處理某一些問(wèn)題的能力能夠超過(guò)電子計(jì)算機(jī)最高速度能力，即它的運(yùn)算處理問(wèn)題的速度超過(guò)了現(xiàn)在所有運(yùn)算，這叫量子霸權(quán)。量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)，仍然是專(zhuān)用機(jī)，因?yàn)樗豢梢越鉀Q所有問(wèn)題，它只能解決在相干時(shí)間里能完成的那類(lèi)問(wèn)題，但是量子霸權(quán)做出來(lái)以后，還是很有用途的。

三、量子計(jì)算機(jī)的未來(lái)發(fā)展

未來(lái)，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以分為量子計(jì)算器、專(zhuān)用量子計(jì)算器和通用機(jī)三個(gè)階段。第一階段叫量子計(jì)算器。這種計(jì)算機(jī)的比特?cái)?shù)不要求太多，功能也不用太強(qiáng)，應(yīng)用不必太全面，但是需要五臟俱全，而且確實(shí)是按照量子力學(xué)運(yùn)行規(guī)律的數(shù)據(jù)處理器。第二階段是量子霸權(quán)，大概100個(gè)比特?cái)?shù)，暫時(shí)不考慮它的糾錯(cuò)容錯(cuò)，只要能解決某一類(lèi)問(wèn)題，這類(lèi)問(wèn)題可以在相干時(shí)間內(nèi)完成，所以也叫專(zhuān)用量子計(jì)算器。因?yàn)槲覀円獊?lái)解決很多實(shí)際的問(wèn)題，比如說(shuō)具體的一個(gè)項(xiàng)目，需要加快運(yùn)算速度，這個(gè)任務(wù)可以用量子霸權(quán)來(lái)做。最后一個(gè)階段就是能夠糾錯(cuò)容錯(cuò)而比特?cái)?shù)又足夠多，能把所有問(wèn)題都解決了，這叫通用機(jī)。這個(gè)不會(huì)很快實(shí)現(xiàn)。一旦到霸權(quán)階段，我認(rèn)為可以把它當(dāng)成一個(gè)器件?，F(xiàn)在的量子計(jì)算器不賣(mài)，但都知道它有多大用處，可以放到網(wǎng)上，讓全世界都可以上網(wǎng)運(yùn)用它的計(jì)算器。

目前量子計(jì)算機(jī)研究還需要解決兩方面難題。一是量子計(jì)算機(jī)是人造量子系統(tǒng)，在宏觀環(huán)境下量子相干性會(huì)自動(dòng)消失，從而喪失其量子信息功能。二是人類(lèi)采用經(jīng)典工具去操控量子器件的狀態(tài)和演化，這種操控能力目前還很差，有待提高。