昨天，1臺落後世界至少3年的國產量子計算機成了中國人的驕傲

2020-09-16 我是科學人

不知從何時起，「量子」這個詞成了科學界的「大IP」。

不管什麼研究，只要前面掛上了「量子」這兩個字，就能刷流量。量子計算機就是這樣的一種存在。

就拿昨天合肥發布的「悟源」量子計算雲平臺來說，它的處理器只有6比特，就連它的技術顧問、中國科學院院士郭光燦都說它「談不上有多大用處」，可它就是能在一眾新聞裡「突圍」，引得很多科技媒體紛紛轉發。

莫非，真是「量子」加持的魔力？

量子計算機，「靚」在哪裡？

量子計算機的概念最早可以追溯到1981年，由世界著名的物理學家理察·菲利普斯（Richard Feynman）提出。

別小看加了「量子」二字的計算機，和傳統的計算機相比，它相當於完成了一次「進階」。

在經典計算機裡，儲存的信息單位是比特（Bit）。比特使用的是二進位，1個比特一般表示的不是「0」就是「1」。

可在量子計算機裡，情況就會變得完全不同。因為它不止會「疊加」，還會「糾纏」。

奧地利著名物理學家薛丁格曾用「薛丁格的貓」來展示量子疊加原理，即把一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。如果鐳發生衰變，就會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就一直存活。因為在打開容器前，沒有人知道裡面的貓究竟是死是活，所以從量子力學的角度來說，這隻貓會一直處於「死」和「生」的疊加狀態。

而量子的這一疊加性質，同樣存在於量子計算機裡。

量子計算機的信息單位是量子比特。1個量子比特既可以表示「0」，也可以表示「1」，還可以表示「0」和「1」的疊加狀態。除了這種疊加狀態之外，量子比特還可以處於量子糾纏態。在這種糾纏態下，1個量子比特發生的變化會立刻反應在另一個相關的量子比特上，無論這兩個量子比特之間相隔多遠。

這兩種特性加在一起，能讓量子計算機的運算速度達到一個非常可怕的程度。

去年，谷歌發表過一篇有關量子計算機的論文。

他們的實驗對象是一個只有53個量子位的可編程處理器，但這個處理器卻可以快速模擬出10^16（10的16次方）種狀態，僅用3分20秒就可以完成一項複雜的計算。相同的題目，如果用目前全球最強大的超級計算機，想知道結果至少也要花費1萬年。

而量子計算機這種強大的運算能力，成了信息安全領域的寶。

目前全球各個國家的加密系統，一般都是有對應的公鑰和加密數據的。加密方法無外乎就是那麼幾種，所以所謂的加密，並非沒有破解的可能，只是這過程牽扯到大量繁雜的運算，可能幾代人都不一定能算出結果罷了。但量子計算機的出現，明顯成倍縮短了這個計算過程。

這也是為什麼量子計算機能在短短十幾年的時間裡，成為世界各國未來科技的「必爭之地」。

只有6比特，我們該驕傲嗎？

再來看看昨天發布的6比特的「悟源」。

從公開的圖片來看，「悟源」和我們想像中的量子計算機相差得還是有點大：與其說這是一臺量子計算機，不如說它是一個「大塑料桶」。

「悟源」超導量子計算機

這個「大塑料桶」包裹著用於處理計算的量子比特加固室、用於給量子計算機降溫的低溫設備，以及用於控制量子比特動作且「讀取」輸出數據的電子裝置……雖然外觀簡陋，但它的的確確是中國第一臺能夠脫離實驗室環境，且運行穩定的量子計算機。

超導晶片

2017年11月，在接受《自然》雜誌採訪時，谷歌量子計算專家約翰·馬丁尼（John Martinis）就提到過，只有當一臺量子計算機達到約50量子比特的時候，它的計算能力和速度才能超過世界上現存的任何一款計算機，才能解決經典計算機解決不了的問題。

所以自那時起，業內就一直有一個共識：只有達到50量子比特的量子計算機，才可以稱得上具備了「量子霸權/量子優越性」。

2019年，IBM發布了一款擁有53個量子單位的可商用量子計算機。緊接著，谷歌也對外展示了他們最新的53比特量子計算機，實現了「量子霸權」。

今年6月，就連一向生產口罩的美國製造業大廠——霍尼韋爾也對外宣布，他們造出了目前世界上性能最好的量子計算機。

IBM的量子計算機展示圖

從數字上看，6比特的「悟源」和這些已經實現「量子霸權」的國家相比，差距很大。這個差距要怎麼看？「悟源」上線的本源量子拿IBM做了對比。

儘管谷歌、IBM等已經走在了前列，但一個共識是跨過50比特這道門檻，中國面臨的是3-5年的差距。更何況，目前全球對量子計算機的研究仍處在一個摸索階段，具體什麼時候可以真正達到大面積使用，誰也不知道。

而在這個過程中，中國的研發能力並不弱。

2015年，中科院就聯合阿里巴巴集團成立了「中國科學院——阿里巴巴量子計算實驗室」，開始研製量子計算機。隨後，清華大學和國防科技大學也開始跟進類似的項目。

在過去的5年裡，中科院、清華大學、中科大等研究機構在相關方面的發文量都能排進世界前20，我國近年來在這方面的專利申請數量也突飛猛進——

但必須承認，我們的確在產業化發展上存在短板。

歐美很多國家一直採用的是產、學、研、用一體的研發模式，可以調動各方資源，充分發揮市場競爭力。而我國量子計算機的研發主體主要還是高校和科研院所，產業化和市場化明顯落後於領先國家。

這也是為什麼，明明潘建偉院士已經在研究60個超導比特的量子相干控制，但真正落實到可以公開使用雲平臺的，只有一個6比特的「悟源」。

不過，正如「悟源」開發團隊顧問郭光燦院士所說：「這個平臺現在還沒辦法解決大的問題、談不上有多大用處，但它是基於按照量子力學規律運行的量子處理器開發，是地地道道的量子器件。通過建立雲平臺，可以滿足人們對量子計算『嘗嘗鮮』的需要——這是很初步的，但是很重要的一步。」

《我是科學人》紀錄片由長安信託特約贊助。

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