在CES 2018上,英特尔keynote演讲甩出49量子比特(qubits)超导量子计算测试芯片“Tangle Lake”,震撼全场。目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光,运算速度是每秒9.3亿亿次;而一台50量子比特的运算速度将达到每秒1125亿亿次,瞬间秒杀世界最强超级计算机 。

神威

那么量子计算机究竟有何神奇之处呢?接下来就由小编来带大家一起揭开量子计算机的神秘面纱。

一、时代在召唤-一台巨兽的崛起

比干

随着计算机的计算速度每隔两年便增加一倍,计算机的计算能力越来越强,而计算机的元件尺寸却随之越来越小。目前最先进的光刻技术可以生产出10nm级的元件,这使得集成电路技术逼近其量子极限。

量子

在逼近量子尺寸时,就仿佛进入了传说中的“地狱世界”,物质将服从这里的规律-量子力学规律,电子的波粒二象性表现显著,电子变得极难操纵,从而会导致电路故障。由于这时的单个电子的位置变得难以确定,所以,计算机保持数值0或1的可靠程度降低了。这个时候,一种新型的、基于量子力学的计算机-量子计算机就呼之欲出了。

二、从“理想国”到“开疆拓土”

理想国

在此之后,人们描绘了量子计算机的宏图,首先开始这个尝试的人是Benioff。他在20世纪80年代初期首先提出了量子计算的思想,设计了一台可执行的、有经典类比的量子Turing机,这迈出了人类向量子计算机进军的第一步,可谓意义非凡。

但是如何结合量子力学理论构建量子计算机? Benioff并没有给出很好的答案。从Benioff手中接过接力棒的是Feynman先生,他提出了按照量子力学规律工作的计算机概念,从而使得量子计算机名副其实的脱离传统计算机的设计理念,自此之后量子计算机的发展走上了属于自己的道路。

Feynman先生只是解决了:怎样用量子力学规律实现量子计算机?这样一个问题,但是量子计算机究竟能否胜任模拟任何物理过程?他并没有给出答案。

牛津

就在这个关键的时刻,牛津大学的David Deutsch于1985年发表的一篇论文很好的解决了Feynman先生的困惑。David Deutsch先生证明了任何物理过程原则上都能很好的被量子计算机模拟,而且他提出了基于量子干涉的“量子逻辑门”概念,并指出量子计算机可以通用化、量子计算的纠错性问题,接着在Zurek的接力下,他的理论得到完善。

三、短暂的黑暗-从“未来之星”沦落到被人遗忘

短暂的黑暗

就在量子计算机一路高歌奋进的时候,短暂的黑暗危机就此产生。也许正迎合了中国古语里的:天将降大任于斯人也,必先苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤!在20世纪80年代中期,量子计算机由于若干原因被冷落了。首先,当时的量子计算机模型都是把量子计算机看成是一个不与外界环境发生作用的孤立系统,并不是实际的可实现的模型,就犹如是一张不可实现的蓝图!其次,现实中存在很多不利于实现量子计算机的制约因素;另外由于大家都是处于高谈阔论的阶段,大家都不清楚量子计算机解决数学问题是否比经典计算机快!基于众多的质疑,量子计算机的研究被大家搁置。历史总是惊人的相似!成大事者,往往要经得起短暂的黑暗,之后才会迎来属于自己的春天。量子计算机也不例外。

四、春暖花开-高歌奋进

春暖花开

量子计算机由于其变革型的意义,当然会重新获得世界的认可。而且在集成电路危机的迫近下,量子计算机的“出山”已经是人心所向。

1994年,AT&T公司的Perer Shor博士发现了因子分解的有效量子算法,解决了量子计算之魂-算法的问题。1996年,S.Loyd证明了Feyrman猜想,指出模拟量子系统的演化将成为量子计算机的一个重要用途,量子计算机可以建立在量子图灵机的基础上。从此,随着计算机科学和物理学间跨学科研究的突飞猛进,使得量子计算机的发展开始进入新的时代,各个国家和各大政府都纷纷制定了针对量子计算机的一系列研究开发计划。

美国量子计算机

首先开始这个尝试的当然是全球霸主-美国。美国高级计划研究局先后于2002年12月和2004年4月制订了名为“量子信息科学与技术发展规划”的1.0版本和2.0版本,在该计划书中,详细介绍了美国发展量子计算机的主要步骤和时间表,如:美国将于2007年研制成功10个物理量子位的计算机,到2012年研制成功50个量子位的计算机。美国陆军对量子计算机的需求更为迫切-2020年美军将在武器上装备量子计算机,这个意义我将在下一篇有关量子计算机应用与意义的文章中介绍到。

欧洲

相比于美国,本着重振欧洲的强烈渴望,欧洲各国想在量子计算机领域上赶超美国,找回失去的欧洲贵族荣耀。欧洲在量子计算及量子加密方面也作了积极的研究开发。欧洲已经完成了第五个框架计划中 对不同量子系统(如原子、离子和谐振)的离散和纠缠的研究以及对量子算法及信息处理的研究。同时,在第六个框架计划中,欧洲将着重研究量子算法和加密技术,预计在2018年研制成功高可靠、远距离的量子数据加密技术。

日本

作为亚洲唯一的发达国家,日本在高新技术尤其是量子计算机领域已经开始发力。日本于2000年10月开始为期5年的量子计算与信息计划,重点研究量子计算和量子通讯的复杂性、设计新的量子算法、开发健壮的量子电路、找出量子自控的有用特性以及开发量子计算模拟器。

当然,在量子计算机领域少不了中国人的身影—

潘建伟

2017年上半年,中国科学家发布世界首台超越早期传统计算机的光量子计算机,成功实现了10个超导量子纠缠,在操纵质量上也是全球领先。2017年底,美国IBM公司宣布推出全球首款50量子比特的量子计算机原型机。

有关于量子计算机的意义与应用,小编将在下期的文章中详细介绍,有请各位读者持续关注。