量子計算機將推動我們進入下一個新的信息時代

量子計算機（英文quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機，其特點主要有運行速度較快、處置信息能力較強、應用范圍較廣等。傳統計算機曾推動我們進入信息化和數字化時代，而量子計算機則將推動我們進入下一個新的信息時代。

1982年，美國物理學家理查德·費曼教授在一個公開的演講中提出利用量子體系實現通用計算的新奇想法。緊接其后，英國物理學家戴衛·杜斯教授于1985年提出了量子圖靈機模型。人們研究量子計算機最初很重要的一個出發點是探索通用計算機的計算極限。當使用計算機模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間而數據量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。費曼教授當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可以大幅度減少，從而量子計算機的概念誕生了。

90年代，實驗技術和理論模型的進步為量子計算機的實現提供了可能。尤其值得一提的是，1994年美國科學家皮特·休爾教授證明運用量子計算機竟然能有效地進行大數的因式分解。這意味著以大數因式分解算法為依據的電子銀行、網絡等領域的 RSA 公開密鑰密碼體系在量子計算機面前不堪一擊，幾年后美國計算機專家洛弗•格羅弗博士提出“量子搜尋算法”，可以破譯 DES 密碼體系。于是各國政府紛紛投入大量的資金和科研力量進行量子計算機的研制，如今這一領域已經形成一門新型學科——量子信息學。

1996年初，中國科學家及未來學家周海中教授在美國芝加哥舉行的學術講座《信息時代的計算技術》中指出：“智能計算和量子計算在信息時代有著重要的價值和意義，它們將成為21世紀兩大計算技術。”就目前情況看，智能計算已成為現實，量子計算將得以證實。眾所周知，傳統計算機（也稱“經典計算機”）是通過電路的開和關進行計算，而量子計算機則以量子的狀態作為計算形式。目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子。

量子計算機的主要原理就是利用了量子態的疊加性和糾纏性。比特作為計算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態，且在經典計算模式只能處于0或1的一種，而量子比特卻能夠處于0和1的疊加態。當計算機有n個存儲器時，傳統計算模式每操作一次只能變化一個數據，而量子計算模式每操作一次則變化了2^n個數據，量子計算的數據處理能力是傳統模式的2^n倍。當n足夠大時，量子計算的優勢將十分明顯。

從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統計算機所能解決的問題，但是從計算的效率上，由于量子力學疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的通用計算機。量子力學態疊加原理使得量子信息單元的狀態可以處于多種可能性的疊加狀態，從而導致量子信息處理從效率上相比于經典信息處理具有更大潛力。因此，量子計算領域近年異常熱鬧，許多科研機構都進軍該領域。

2019年10月，美國谷歌公司的研究人員聲稱，基于一個包含54個量子比特的量子芯片開發了量子計算系統，它花費約200秒完成的任務，而傳統超級計算機要1萬年才能完成。另外該公司的研究人員最近借助量子計算機，首次成功模擬了一個化學反應。最近，中國科學技術大學的研究團隊成功構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。

建造量子計算機最大的困難在于量子系統非常脆弱，容易發生退相干：由于誤差的不斷積累，量子性丟失，成為經典態。怎樣控制誤差也成為量子計算成功與否的關健。目前有兩種思路：一是計算過程中隨時糾錯，二是依靠特殊材料能夠不受某些誤差的破壞。據專家預測，到2030年量子計算機將擴展到50個量子位，屆時將實現量子霸權，即專用型量子計算機針對特定問題的計算能力超越經典超級計算機。

近日，量子計算行業的“藍色巨人”IBM公司宣布了一項為期10年、耗資1億美元的計劃——該公司將與日本東京大學和美國芝加哥大學合作建造由10萬個量子比特驅動的量子計算機。如果該計劃實現，將能夠解決一系列世界上迫切需要解決的問題，例如找出新藥物、探索暗物質、破譯密碼等，迎來以量子為中心的超級計算機時代。IBM公司的愿景是，10萬量子比特的量子計算機與最好的經典超級計算機一起工作，在藥物發現、肥料生產、電池性能和許多其他應用方面實現新的突破。

量子計算機擁有強大的量子信息處理能力，對于目前海量的信息，能夠從中提取有效的信息進行加工處理使之成為新的有用的信息。由于量子計算機在并行運算上的強大能力，使它有能力快速完成傳統計算機無法完成的計算；這種優勢在加密和破譯等領域有著巨大的應用。另外由于量子計算機理論上具有模擬任意自然系統的能力，同時也是發展高新技術，尤其是人工智能（AI）的關鍵。因此可以說，量子計算機將推動我們進入下一個新的信息時代。

文/杜明(作者單位：瑞士日內瓦大學科學系)