量子计算呼之欲出,可做最后的一里路却非常艰难
2018-07-20 15:33:28
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来源: 21世纪经济报道(广州)

本报记者   陶力   上海报道

随着光量子比特纠缠的数字不断扩大,国内科学家在量子计算领域的研究驶入了快车道。

日前,21世纪经济报道记者从中国科技大学获悉,该校教授潘建伟及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,再次刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

量子纠缠是物理学概念。在业界被称为“量子计算之父”的潘建伟曾经解释说,量子纠缠是两个(或多个)粒子共同组成的量子状态,无论粒子之间相隔多远,测量其中一个粒子必然会影响其它粒子,这被称为量子力学非定域性。

因此,量子纠缠的叠加对于量子计算的发展至关重要。6日,阿里巴巴达摩院量子实验室量子科学家徐华告诉21世纪经济报道记者,中国科技大学的这项破纪录的成果意义巨大。在量子力学基本原理上,是利用量子叠加、量子纠缠这些东西组合形成量子逻辑,实现信息处理的能力。而量子计算需多个光量子比特纠缠,数量越多意味着处理数据的能力可能会越强。

在国内,除了中国科学技术大学、清华大学等在着力投入量子计算之外,一些领军的科技公司如BAT等也已经加入到软件领域的研发中。某高校一名研究员19日对21世纪经济报道记者表示,量子计算可以进行大量的模拟和并行计算,从而助推人工智能行业的应用,对制药、生物、金融等需要大量数据的行业都会造成深远影响。

不过,下一步要实现更多个量子比特的纠缠,需进行高精度、高效率的量子态制备和独立量子比特间相互作用的精确调控。随着量子比特数的增加,操纵带来的噪声、串扰和错误也随之增加。这对量子体系的设计、加工和调控要求极高,对量子纠缠和量子计算的发展构成了巨大挑战。

突破大规模计算

量子计算机是一种遵循量子力学规律,进行高速运算、存储及处理量子信息的物理装置,一旦实现,意味着计算速度会有数十亿倍的提高。这一计算能力的飞跃,将远远超越从算盘到当代超级计算机的提升。

以阿里巴巴最近推出的“人脸识别”判断,量子计算可以达到的处理速度令人难以想象。假设人们把这种量子计算机运用到监控领域,它可以瞬间在数据库中扫描60亿地球人的脸,并实时辨别出一个人的身份。

对数据的处理可以实现运算的并行,运算速度会大大提高,同时,量子计算的速度会随着实验可操纵的纠缠比特数的增加而呈指数级提升。因此,未来量子计算机可应用于需要大规模计算的科学难题。

据悉,潘建伟团队研发的光量子计算机,在超导电路中能实现10比特纠缠和并行逻辑运算。这个科研用的模拟机,性能比人类第一台电子管计算机(1946年诞生)和第一台晶体管计算机(1954年诞生)快10到100倍。

量子计算应用最实际的领域是在通信和人工智能方面。量子通信可以最大限度地保证用户的隐私和信息安全,也正因为这样,量子通信在国家信息安全层面有着越来越迫切的现实需求,这也是包括中国、美国及欧洲大力投入的原因。

据悉,北京和上海之间建造的长约2000公里的“京沪干线”是世界上第一条量子通信网络。去年3月,阿里云公布了全球首个云上量子加密通讯案例,通过建立多个量子安全传输域,为客户提供无条件安全数据传输服务。

前述研究员认为,量子密码具有唯一性,很难被破解,也是它优于传统计算机的原因,但是,量子计算机适合解决复杂的优化问题,并不能实现传统计算机的其他功能。同时,由于量子计算芯片工作环境要接近绝对零度,目前成本很高也难以小型化。所以,量子计算落地应用还需要加强产学研的合作,以推进市场化落地。

“最后一里路”难题

在业界,量子计算仍然存在分歧。但是,随着科技成果的陆续发布,产学界都达成了共识:即量子计算会对社会经济产生重大影响,且无法回避量子计算时代的到来。

今年3月,谷歌宣布实现72个量子位的原型机,5月,阿里巴巴达摩院量子实验室发布消息,称已研发出当前世界最强的量子电路模拟器“太章”,成功模拟了81比特40层作为基准的谷歌随机量子电路。

此前,中国科学院院士、量子计算专家、图灵奖获得者姚期智在公开演讲中表示,自己目前最兴奋的两个热门方向就是量子计算和人工智能,二者能够有效结合在一起。“宇宙给我们两个很大的挑战,第一,量子物理能够做出很精妙的事情,如果没有量子计算我们就不能引领它;在软件方面,我们人类能不能到达大自然所孕育出来的物种的水平。如果能够把量子计算和AI放在一起,我们可能做出连大自然都没有想到的事情。”

目前,中美是世界上在量子计算领域取得重大突破的两个主要国家,美国在近年每年投入超过2亿美元到该领域的研发。在国内,科学界也在努力突破,就在潘建伟团队首次实现了18个量子比特的纠缠,成功刷新美国在这一领域的纪录后。同一时期,中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿及其团队在一个128节点的计算机集群上,完成了64量子比特、深度为22的量子随机线路的模拟。

在业内看来,这些破纪录的成果,不能仅停留在理论阶段,必须要落地到场景中去。国内的电子商务、手机游戏、在线搜索、移动支付、社交媒体、视频流、在线出行、外卖等各个行业,已经积累了海量的数据,量子计算将有助于政府和企业进行数据分析并加以利用。此外,也有望加快人工智能解决复杂领域的问题,如面部识别、机器学习和自动驾驶等等。

姚期智认为,量子计算在现阶段基本上已经是呼之欲出,但是,做最后的一里路,是一个非常艰难的过程。“也许在以后的半年、一年有很多地方都会宣布,能够有50个量子比特、100个量子比特的机器。这些当然令人兴奋,离实用还差得很远。因为大家都还没有考虑怎么纠错,这是一个非常难的问题,最后一里路,也是非常长的一里路。”

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