杜欣澤

一、可控的量子疊加和糾纏是算力躍升的源泉

量子計(jì)算是基于量子態(tài)受控演化的一類計(jì)算技術(shù)，其巨大的信息攜帶能力和超強(qiáng)的并行處理能力使得量子計(jì)算成為顛覆未來的計(jì)算模式。

量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)最大的區(qū)別在于存儲(chǔ)、運(yùn)算的對(duì)象不同。經(jīng)典計(jì)算機(jī)通過控制晶體管電壓的高低來處理比特信息，即完成0或1的信息處理。量子計(jì)算機(jī)則采用量子比特作為基本單元存儲(chǔ)信息。相較于經(jīng)典計(jì)算機(jī)通過控制電路的開關(guān)來處理信息，量子計(jì)算機(jī)可以利用粒子量子態(tài)的疊加與糾纏的特性，實(shí)現(xiàn)指數(shù)量級(jí)的性能提升。量子糾纏的特性意味著當(dāng)任一量子比特狀態(tài)發(fā)生改變，其他所有的量子比特也發(fā)生對(duì)應(yīng)的狀態(tài)改變。

二、量子計(jì)算即將超越當(dāng)前算力極限點(diǎn)

量子計(jì)算的發(fā)展總體分為三大階段。

理論探索期。二十世紀(jì)七八十年代以前是量子計(jì)算的理論探索時(shí)期。1982年，美國(guó)物理學(xué)家Paul A.Beni off提出量子計(jì)算機(jī)概念。1985年，英國(guó)牛津大學(xué)教授David Elieser Deutsch首次提出量子圖靈機(jī)構(gòu)架以及證明量子加速的算法，驗(yàn)證了量子計(jì)算并行的可能性。

算法研究期。二十世紀(jì)九十年代，量子計(jì)算進(jìn)入到了編碼算法研究期。1992年，Deutsch和Jozsa提出的D-J量子算法，推進(jìn)量子計(jì)算領(lǐng)域的飛速發(fā)展。1994和1996年，Shor整數(shù)分解問題的量子算法和6rover數(shù)據(jù)庫搜索算法的提出，進(jìn)一步凸顯出量子計(jì)算對(duì)于特定問題解決的巨大優(yōu)勢(shì)，堅(jiān)定了科學(xué)家深入研究量子計(jì)算機(jī)的決心。

技術(shù)突破期。如今，量子計(jì)算進(jìn)入技術(shù)突破期。1998年，Bernhard Omer提出量子計(jì)算編程語言后，量子計(jì)算機(jī)可編程的序幕拉開。IBM、谷歌、微軟等科技巨頭積極布局，開展量子計(jì)算的技術(shù)驗(yàn)證和原理機(jī)研制。2013年，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司發(fā)布了量子計(jì)算設(shè)備，率先開啟量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化進(jìn)程。2018年，Intel和Google分別測(cè)試了49位和72位量子芯片。2019年，IBM發(fā)布最新IBM Q System One量子計(jì)算機(jī)。

三、量子計(jì)算將成為信息時(shí)代的秩序顛覆者

摩爾定律時(shí)代，芯片上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。但是隨著芯片元件集成度的不斷提高，元器件尺寸的不斷縮小，經(jīng)典物理世界的規(guī)律將不再適用。且隨著單位體積芯片計(jì)算能力的提升，熱量損失不斷增加，摩爾定律逐漸失效。后摩爾時(shí)代，量子計(jì)算將成為突破傳統(tǒng)芯片性能極限的標(biāo)志性技術(shù)，以傳統(tǒng)芯片為核心的現(xiàn)代電子信息制造體系將因量子芯片的誕生而發(fā)生革命性重塑。

量子計(jì)算的到來將給現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)安全帶來巨大沖擊，自二十世紀(jì)九十年代以來，非對(duì)稱加密方式RSA是用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、身份認(rèn)證、在線支付等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要加密方式。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)上萬年才能破解RSA加密密鑰，在理論上保障了信息傳遞的安全性。而量子計(jì)算強(qiáng)大的并行計(jì)算能力僅需幾分鐘便可完成密碼的破譯，網(wǎng)絡(luò)安全、隱私安全乃至國(guó)家安全正面臨前所未有的量子挑戰(zhàn)。

如果增至300個(gè)量子位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量將比地球上所有原子數(shù)量還要多，現(xiàn)實(shí)中的每一個(gè)細(xì)節(jié)可以在虛擬世界中完全克隆。不論是在人工智能、信息安全、加密通信領(lǐng)域，還是在基礎(chǔ)科研、化工能源、太空探索等領(lǐng)域，量子計(jì)算將給世界帶來顛覆性改變。

未來，量子計(jì)算的發(fā)展將在理論上突破摩爾定律的極限，重塑信息時(shí)代建立起來的規(guī)則，人類的社會(huì)生產(chǎn)、生活方式將發(fā)生顛覆性改變。我們要做好準(zhǔn)備，迎接充滿不確定的量子時(shí)代！

責(zé)任編輯：金燁