量子计算机：超越经典一小步 量子计算一大步

量子计算机研究实验装置的一部分。鲁朝扬绘画

视觉中国

在上海浦东新区的中国科学技术大学上海研究所的实验楼里，在一个不到3平方米的工作台上，数百个部件看起来是随机生长的:一些部件顶部裸露，另一些部件由不同大小和形状的放大镜等波片支撑，周围的框架梁上覆盖着光纤。很难想象这是刚刚问世的中国光量子计算机的主体。它一问世，就成为中国科技领域乃至世界的一颗闪亮之星。

5月3日，该计算机的开发者中国科学院量子信息与量子科技创新研究所在这里宣布，中国科技大学潘剑伟院士和他的同事陆朝扬、朱晓波，以及浙江大学王浩华研究团队，已经建成了这种基于单光子的量子计算机，这是世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机。

当时，评论如潮水般涌来:“中国科学家再次站在创新的前沿”，“量子计算机开辟了中国新的速度”，“量子计算将彻底改变人类未来的应用前景”...就连这项成就的焦点潘剑伟在接受记者采访时也提到，“量子计算研究如雨后春笋般涌现，并达到了爆炸性发展的关键时刻。”那么这台“中国制造”的量子计算机能做什么，它将给我们带来什么？中国青年报、中国青年在线记者采访了相关专家。

自行车和飞机

人们对量子计算机充满期待的原因与传统计算机遇到的各种问题有关。近年来，传统计算机逐渐遇到了功耗瓶颈和通信瓶颈等一系列问题，性能增长变得越来越困难。探索新物理原理的高性能计算技术的需求应运而生。

量子计算机是科学家们试图在未来打开无限可能性的一把钥匙。理论上，量子计算机可以轻易地“杀死”传统的经典计算机:有人曾经做过一个类比。如果现在传统计算机的速度是自行车，量子计算机的速度就像飞机。

“第二次杀人”的秘密在于“量子”这个词。

所谓的量子是指物质最基本的单位，它是不可分割的。众所周知的微观粒子，如分子、原子、电子和光子，都是量子表达的形式。

潘剑伟说，量子有一个特征决定了它的超快计算能力。这个特征就是“量子叠加”。这就是量子世界和经典世界的根本区别——著名的薛定谔猫生动地描述了这个悖论。在经典世界里，猫不是活着就是死了，但是量子猫可以是“死”和“活”的叠加。

有了这种叠加的“性质”，量子计算也具有并行计算的能力，即可以实现同步计算。根据科学家的说法，在二进制算法中，经典计算机只能是“这个或那个”:要么是0，要么是1。但是量子计算机有能力“同时存在”

为了进行图像类比，当提取一个需要解决的问题时，目前常用的经典计算机需要列出所有的可能性，并验证它们以“找到”正确的信息，这相当于一个双手同时只能做一件事的人。量子并行计算可以直接计算和提取相应的信息，相当于一个拥有2 N个异能手的千手观音，可以同时做2 N个异能手可以做的事情。

后者的速度取决于n的指数增长。

在5月3日的新闻发布会上，潘剑伟和与会者重温了棋盘麦粒的经典故事-

在古代印度，国王想奖励象棋的发明者，并问他想要什么。发明家指着他面前的棋盘对国王说:“请在第一格放一粒小麦，在第二格放两粒，在第三格放四粒。之后，每个隔间将比前一个隔间加倍，依此类推。当棋盘上的64粒都满了，这就是我的奖赏。”

起初国王认为这很简单。然而，当人们带着一袋袋的小麦开始计数时，国王发现即使从印度带走所有的小麦也不能满足总理的要求——如果每秒钟计数两个谷物，就需要数亿年的时间。

潘建伟表示，同样，随着N的不断增加，量子计算机的计算能力也将呈指数级增长，一些经典计算机无法解决的大规模计算问题也将得到“解决”。他以大数的因式分解为例。一台经典计算机需要15万年才能分解大量的300位，而一万亿台量子计算机只需要一秒钟就能分解大量的位。

理想和现实

根据潘剑伟的描述，量子计算机也有望在人类社会的大规模计算问题中扮演重要角色

在公共安全领域，量子计算可以即时处理监控数据库中60亿人的面部图像，并实时识别一个人的身份。在公共交通领域，量子计算可以快速分析和预测复杂的交通状况，从而调度综合交通系统，最大限度地避免道路拥堵等。

然而，这些仍然只是科学家的“理想”前景，真正的量子计算机还远未达到这一应用水平。

即使是中国的光量子计算机也只能击败早期的电子计算机，运行速度比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机快10到100倍，但比目前的智能手机和笔记本电脑“慢得多”。

20世纪80年代初，美国物理学家费曼提出了量子计算机的概念，但经过30多年的努力，世界上最好的量子计算机也很难完成一些“看似小儿科”的现实数学问题，以至于怀疑论者给出这样一个说法:尽管量子计算是一项革命性的技术，但它似乎总是遥不可及。

现在事情似乎已经改变了。今年早些时候，《自然》杂志在一篇题为“2017年将是量子计算机从实验室进入现实的一年”的文章中说，量子计算长期以来被认为是一项直到20年后才能实现的技术。然而，2017年可能是该领域改变其“仅研究”印象的一年。

这一变化于5月3日在中国上海得到证实，在那里，世界上第一台超越早期经典计算机的量子计算机问世了。

潘建伟说，科学界有一种说法，量子计算研究在计算能力方面有“三个步骤”。第一步是超越第一台电子计算机的计算能力，第二步是超越商用*处理器的计算能力，第三步是超越超级计算机的计算能力。

现在，潘剑伟的团队已经完成了第一步。他说:“到目前为止，我们所取得的成就只是第一步，但这一小步是重要的一步。”

《自然光子学》的评论者在评论这一成就时说:“中国科学家开发的量子计算机可以说是量子计算领域的ENIAC。”后者是世界上第一台电子管计算机，开启了经典算法计算机的时代。

中国量子计算机“里程碑”的意义是显而易见的。

追求与超越

事实上，世界各地的实验室已经提出了许多实现量子计算的方案，但困难在于微观量子态的“操纵”。目前，潘剑伟团队正在朝着三个有希望的方向努力:光子量子计算、过冷原子量子计算和超导量子计算。

5月3日公布的光学量子计算机是量子计算的原型，它操纵五个粒子，即五个光学量子位。根据量子理论，随着可控粒子数量的增加，量子计算机的计算能力将大大提高。

中国科技大学教授卢朝阳告诉记者，该团队的下一个目标是在今年年底前实现对大约20个光学量子位的操控，并致力于20个超导量子位样品的设计、制备和测试。

到那时，量子计算机的计算速度将接近目前最好的商用*处理器——也就是前面提到的“第二步”——赶上当前便携式计算机的速度。卢朝扬说，到2020年，有望操纵大约50个量子位，届时有可能实现突破性的“第三步”，即超越超级计算机。

此前，加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔提到了一个名为“量子霸权”的词，大意是当一台量子计算机拥有5到20个量子位时，它可以完成一台*超级计算机所能完成的事情。一旦它拥有超过49个左右的量子位，它的能力将会把超级计算机甩在后面。

“这是一项叫做‘量子霸权’的任务。科学家最初设计这个问题是为了展示量子计算机的能力，并与经典计算机竞争看谁跑得快。卢朝阳说道。

潘剑伟说，在未来10年内，科学界很可能能够操纵100个量子位。到那时，它的计算能力可能比目前最强大的超级计算机快几十亿倍。

潘剑伟说，进一步预测，如果未来能实现1000多个量子，科学家也许能研究意识是如何产生的，也许能产生强大得难以想象的人工智能。

然而，在那个时候，普通人可能还没有使用量子计算机。潘剑伟表示，以现有手机终端为例，需要完成的计算任务可以通过云计算平台发送到云端，由后台量子计算机完成。

他还承认，正如古代发明算盘的人不会想到今天的计算机一样，他也无法准确预测未来量子计算机的巨大能量，所以我们只能拭目以待。