量子計(jì)算：后摩爾時(shí)代計(jì)算能力提升的解決方案
由朱曉波、陸朝陽、潘建偉等人撰寫的這篇文章客觀介紹了量子計(jì)算的原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)：“實(shí)現(xiàn)‘量子計(jì)算優(yōu)越性’的階段目標(biāo)是量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑，它驗(yàn)證了量子計(jì)算機(jī)可以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的可行性，但量子計(jì)算機(jī)距離能夠解決有價(jià)值的實(shí)際問題，還有較長(zhǎng)的路要走。由于技術(shù)上的難度，何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚不明確，國(guó)際學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要10至15年甚至更長(zhǎng)時(shí)間?！?/span>
量子計(jì)算是基于量子力學(xué)的全新計(jì)算模式，具有原理上遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算的強(qiáng)大并行計(jì)算能力，為人工智能、密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、資源勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供了解決方案，并可揭示量子相變、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機(jī)制。
與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用0或者1的比特來存儲(chǔ)信息不同，量子計(jì)算以量子比特作為信息編碼和存儲(chǔ)的基本單元?；诹孔恿W(xué)的疊加原理，一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于0和1兩種狀態(tài)的相干疊加，即可以用于表示0和1兩個(gè)數(shù)。推而廣之，n個(gè)量子比特便可表示2n個(gè)數(shù)的疊加，使得一次量子操作原理上可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)2n個(gè)疊加的數(shù)進(jìn)行并行運(yùn)算，這相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行2n次操作。因此，量子計(jì)算提供了一種從根本上實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的思路，具備極大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的潛力。
類似于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)也可以沿用圖靈機(jī)的框架，通過對(duì)量子比特進(jìn)行可編程的邏輯操作，執(zhí)行通用的量子運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的大幅提升，甚至是指數(shù)級(jí)的加速。一個(gè)典型的例子是1994年提出的快速質(zhì)因數(shù)分解量子算法（Shor算法）。質(zhì)因數(shù)分解的計(jì)算復(fù)雜度是廣泛使用的RSA公鑰密碼系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)，例如，如果用每秒運(yùn)算萬億次的經(jīng)典計(jì)算機(jī)來分解一個(gè)300位的大數(shù)，需要10萬年以上；而如果利用同樣運(yùn)算速率、執(zhí)行Shor算法的量子計(jì)算機(jī)，則只需要1秒。因此，量子計(jì)算機(jī)一旦研制成功，將對(duì)經(jīng)典信息安全體系帶來巨大沖擊。
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目前，國(guó)際上正在對(duì)各種有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的物理體系開展系統(tǒng)性研究。我國(guó)已完成了所有重要量子計(jì)算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國(guó)在內(nèi)的三個(gè)具有完整布局的國(guó)家（地區(qū)）之一。
超冷原子、離子、硅基量子點(diǎn)等物理體系同樣具有多比特?cái)U(kuò)展和容錯(cuò)性的潛力，也是目前國(guó)際量子計(jì)算研究的熱點(diǎn)方向。
我國(guó)近年來在超冷原子量子模擬方向取得的一系列重要成果，使得我國(guó)達(dá)到了和國(guó)際上頂尖團(tuán)隊(duì)并駕齊驅(qū)的水平。
我國(guó)在離子體系的量子計(jì)算研究起步較晚，目前整體上處于追趕狀態(tài)，國(guó)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)研究單位包括清華大學(xué)、中國(guó)科大和國(guó)防科大等，在離子阱的制備、單離子相干保持時(shí)間、高精度量子邏輯門、多比特量子糾纏等量子計(jì)算的基本要素方面積累了大量關(guān)鍵技術(shù)。
我國(guó)在硅基量子點(diǎn)的量子計(jì)算方向上與國(guó)際主要研究力量處于并跑水平，中國(guó)科大、南方科大等在量子芯片材料、比特構(gòu)造、邏輯門操控以及多比特?cái)U(kuò)展等方面具有研究?jī)?yōu)勢(shì)。
此外，由于拓?fù)淞孔佑?jì)算在容錯(cuò)能力上的優(yōu)越性，利用拓?fù)潴w系實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)是國(guó)際上面向長(zhǎng)遠(yuǎn)的重要研究目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外均在為實(shí)現(xiàn)單個(gè)拓?fù)淞孔颖忍剡@一“0到1”的突破而努力。清華大學(xué)、中科院物理所、上海交大以及中國(guó)科大等單位在該方向具有研究?jī)?yōu)勢(shì)。
實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的階段目標(biāo)是量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑，它驗(yàn)證了量子計(jì)算機(jī)可以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的可行性，但量子計(jì)算機(jī)距離解決有價(jià)值的實(shí)際問題，還有很長(zhǎng)的路要走。未來5至10年，量子計(jì)算的發(fā)展將集中在兩個(gè)方面：
一、繼續(xù)提升量子計(jì)算性能。為了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算，核心要素是高精度地?cái)U(kuò)展量子計(jì)算系統(tǒng)規(guī)模。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，量子比特的數(shù)量和質(zhì)量都極其重要，需要實(shí)驗(yàn)的每個(gè)環(huán)節(jié)（量子態(tài)的制備、操控和測(cè)量）都要保持高精度、低噪聲，并且隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，噪聲和串?dāng)_等因素帶來的錯(cuò)誤也隨之增加，這對(duì)量子體系的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控帶來了巨大的挑戰(zhàn)，仍需大量科學(xué)和工程的協(xié)同努力。
二、探索量子計(jì)算應(yīng)用。預(yù)計(jì)未來5年，量子計(jì)算有望突破上千比特，雖然暫時(shí)還無法實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的通用量子計(jì)算，但科學(xué)家們希望探索在帶噪聲的量子計(jì)算（NISQ）階段，如何將量子計(jì)算應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域，形成近期應(yīng)用。
關(guān)于量子科話
量子科話面向熱愛科學(xué)、關(guān)心科技發(fā)展的公眾，介紹量子科技領(lǐng)域重要前沿研究進(jìn)展和國(guó)內(nèi)外相關(guān)發(fā)展動(dòng)態(tài)，對(duì)公眾關(guān)注的科學(xué)問題提供客觀的解讀，助力加深公眾對(duì)量子科技的認(rèn)識(shí)，感受量子世界的奧妙。
量子科話由合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院共同主辦。
