全球首台可编程量子计算机在美国诞生

八月中旬，中国将发射世界上第一颗量子通信卫星。正当中国正在为卫星发射进行紧张的准备之际，位于大洋彼岸的美国正式宣布，它要求学术界、工业界和*尽快就量子信息科学(QIS)这一主题进行沟通，以确保量子信息研究和开发的关键要求得到满足。

中美在量子信息科学领域的竞争似乎已经开始。

在白宫的官方博客文章中，还引用了国家科学技术委员会(NSTC)7月份提出的报告“推进量子信息科学:国家面临的挑战和机遇”。在报告中，美国国家科学技术委员会对量子信息科学的重要性进行了前瞻性的阐述，并介绍了美国量子信息科学的研究和发展。委员会认为，量子计算可以有效地促进化学、材料科学和粒子物理学的发展，并可能最终颠覆未来许多科学领域，包括人工智能。

量子力学在单个原子或亚原子的粒子尺度上描述物质和能量的行为和相互作用。我们可以在大范围内直观地理解粒子的集体效应，但是量子行为通常显得奇怪和反常。这些特殊的量子现象包括量子叠加(系统同时包含所有可能的测量结果，一旦某个测量发生，结果将是一个固定值)和量子纠缠(多个粒子的叠加态，它们的性质是相互关联和相互影响的)。

利用这些特性来处理信息，并将量子现象与信息科学相结合，将在许多领域带来独特的和预期的新机遇，如测向、计量、导航、通信、基础物理、模拟技术和计算。

从目前的成就来看，中国已经在量子通信领域处于世界领先地位。美国在量子计算方面取得了重大进展。

世界上第一台可编程量子计算机问世

8月4日，《自然》杂志封面上的一篇文章宣布了量子计算机的一项重大发展:小型可编程可重构量子计算机的出现。

这个项目是由马里兰大学量子信息和计算机科学联合研究所的萨塔姆·德纳特和他的同事发表的。他们建造了一台新的量子计算机，由五位量子信息组成，可以执行一系列不同的量子算法，其中一些可以利用量子效应一步完成一个数学计算，而传统的计算机需要几个操作来完成这个计算。

这项研究是基于几十年来捕捉和控制离子的工作。研究人员使用标准方法来移动离子，但引入了全新的控制和测量方法，包括使用激光来移动离子，以及建立特殊的检测通道来检测离子的光学特性。

首先，五个量子位存储在五个离子阱中，可以通过激光操作(每个离子的电子状态也可以通过激光轰击控制)。在量子计算中，首先用一个彩色激光器处理量子位，使其达到某种激发态，然后用另一个彩色激光器打开或关闭量子逻辑门，最后，原来的彩色激光器将读取量子位的新状态。

使用激光打开和关闭量子逻辑门的优点在于，量子算法被转换成一系列不同的激光动作，从而可以从外部改变算法，即所谓的“可编程”。目前，世界上其他量子计算结构无法实现这种灵活性。根据作者的报告，该系统可以执行基本操作，准确率约为98%。

澳大利亚悉尼大学的教授斯蒂芬·巴特利特在接受《自然》杂志采访时评论说，这种新设备可以放大到更大的量子计算机。然而，如何实现这一点还没有在论文中展示，所以Debnath团队的下一步是向人们展示如何连接这些模块，以及扩展是如何增加计算效果的。

白宫敦促美国人关注量子信息科学的发展

谷歌的学术文献包含“量子信息”、“量子计算”和“量子通信”

NSTC报告指出，在过去20年里，美国联邦机构对量子信息科学给予了大量支持。这些支持在引领美国科学家在这一领域发挥了重要作用。目前，联邦*机构每年在量子信息科学领域资助2亿美元。此外，美国国防部(DOD)、美国商务部直属的美国国家标准与技术研究所(NIST)和美国国家科学基金会秘书办公室(NSF)提供基础研究支持。美国国防高级研究计划署(DARPA)和情报高级研究计划署(IARPA)甚至资助了一系列有针对性、有时限的长期计划。此外，到2017财年，美国能源部计划启动一系列活动来支持量子信息科学的新研究项目。这些部门都希望充分利用科技带来的机遇，解决合格中介机构在美国的发展障碍。

该报告还向公众清楚地解释了当前量子信息科学发展中遇到的困难。首先，研究机构之间的壁垒。NSTC认为，美国的大部分量子信息科学研究目前都是在现有机构内进行的。在量子信息科学发展的下一阶段，交流与合作将至关重要。第二，需要加强量子信息科学方面的学校教育和工作人员培训。第三，量子信息科技的变革。NSTC认为学校和研究机构的研究应该使用高科技给社会带来好处。但从现在开始，进展缓慢。第四，量子信息科学的许多发展是基于材料的研究和发展。NSTC认为，材料限制了美国量子信息科学的发展，需要在未来进行改变。最后，NSTC认为，研究机构的水平和稳定性也需要提高。

在阐述了量子信息科学发展中遇到的障碍后，NSTC也给出了未来的发展战略，希望*、企业和学术界能够通力合作。首先，必须有稳定和可持续的核心项目为新的机遇做准备。第二，应该有一个有针对性、有时限的战略计划，并有可衡量的目标。第三，我们将继续密切关注美国以外量子信息科学的发展和投资，迅速吸收并借鉴国外研究成果。

从白宫的重视程度来看，美国已经下定决心要在量子信息科学的发展上取得突破。

什么是量子通信

量子通信以量子力学原理为基础，为信息的编码、存储、传输和逻辑运算提供了新的途径，并能精确操纵光子和原子等微观粒子，以确保通信安全和提高计算速度。因为量子是纠缠在一起的，所以它可以互相连接。简而言之，一个量子位的行为可以瞬间影响另一个量子位。这些特征意味着你不能准确地复制一个未知的量子位。因为一旦信息被扣为人质，量子会自动改变，所以接收器可以检测到它，而窥视者看不到原来的样子。在军事和金融领域使用这种技术可以确保信息的安全。

中国目前在这一领域处于领先地位。如果量子通信卫星能在八月成功发射，中国将成为世界上第一个实现卫星与地面之间量子通信的国家。加上今年下半年建成的地面光纤量子通信网络，中国将初步建成广域量子通信系统。

什么是量子计算

为了理解量子计算，想象一下下面的场景。

你必须在5分钟内在国会图书馆的一本书的一页上找到一个大写字母“x”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万本书。但是如果你在5000万个平行的现实中，每个现实可以看不同的书，你肯定可以在其中一本书里找到这个“x”。在这种假设下，一台普通的电脑就像一个疯子，需要在5分钟内搜索尽可能多的书籍。然而，量子计算机可以复制5000万份你的拷贝，他们每个人只是在找一本书。

物理学家理查德·费曼首次提出了量子计算的可能性。他曾经这样描述量子计算:“如果你认为你已经理解了量子物理，实际上你还没有真正理解它。”简单的理解是，普通计算机只能按时间顺序一个一个地解决问题，而量子计算机可以同时解决多个问题。

除了量子计算和量子通信之外，量子信息科学在以下领域具有颠覆性的意义。

测向和计量

事实上，量子信息科学促进了测向和计量学的发展。用于惯性导航的原子干涉仪也可以用作比重计，例如探测地球系统或确定地下矿藏的位置。使用金刚石点缺陷的磁力计不仅可以用于人体周围，还可以用于工业或军事要求的极端环境中。

模拟技术

量子模拟器使用可控量子系统来研究难以直接研究的量子系统的其他性质，如复合材料。材料计算是国家能源研究和科学计算中心的第二大工作。量子模拟器的潜力在于为这些计算科学问题提供有效的解决方案，这些问题通常受到传统高性能计算机固有能力的限制。在白宫的报告中，有人指出量子模拟还没有被用来解决传统计算机无法解决的问题，但是它有机会在未来十年在其他领域发挥作用。比如化学、材料科学和物理。