2017年10月11日，明升官网明升体育app院院士潘建伟在杭州云栖大会上作有关量子计算的演讲。
本报记者 翟冬冬
经典计算机需要100年才能破译的密码，量子计算机用1秒钟就能搞定。
也正是看到了这样的“洪荒之力”，各大巨头开始入局量子计算。2017年底，IBM称已成功研制出50个量子比特的量子计算处理器样机。据报道，谷歌正在研究49个量子比特的芯片，英特尔、微软也加大了对量子计算的投入。
我国明升体育app家也加快了研发步伐，明升官网明升体育app技术大学潘建伟与陆朝阳课题组于2017年成功研制出世界首台超越早期传统计算机的量子计算机。
“量子计算力”正缓缓袭来。
“量子计算将成为第四次工业革命的引擎。”近日，明升官网明升体育app院物理研究所研究员、北京凝聚态国家实验室常务副主任和首席明升体育app家丁洪在接受科技日报记者采访时表示，就像1947年诞生的三极管一样，量子计算或成为下一代颠覆性技术。
“不明觉厉”的量子计算到底是什么呢？
突破传统计算瓶颈
从1970年到2005年，计算机的发展正如摩尔定律预测的一样，每隔18个月，集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的计算性能也提升一倍。
“但2005年以后这种趋势就开始放缓。”丁洪介绍，目前晶体管已进入了纳米尺度时代，摩尔定律逐渐失效。
计算机发展的瓶颈主要有两个。首先，随着晶体管体积不断缩小，计算机可容纳的元器件数量越来越多，产生的热量也随之增多。其次，随着元器件体积变小，电子会穿过元器件，发生量子隧穿效应，这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。
什么是隧穿效应？丁洪打了一个比方。“就像穿墙术一样。在宏观世界，跳高运动员如遇到障碍，可以自己跳过去。但在量子世界，不需要这么高超的技巧。遇到障碍，可以穿过去。只不过，物质本身要足够小，障碍要足够薄。”他说。
量子计算机的出现，巧妙地解决了计算机发展的瓶颈问题。丁洪说，从原理来看，量子计算机是可逆计算机，不会丢失信息。经典计算机则是不可逆计算机，不可逆计算过程中每个比特的操作都会有热损耗。
“但量子计算机不会取代经典计算机。”丁洪说，两者的应用对象不同，互为补充，它们的关系就像白炽灯和激光一样。白炽灯和激光都能发光，具有相关性，但我们并不用激光替代白炽灯去照明，量子计算机也是如此的。
颠覆常识的量子世界
量子物理看似高冷，却早已走进我们的生活，像手机、计算机、LED等都用到了量子物理相关技术。“原子、光子、电子都是量子。”丁洪说，量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者。量子叠加和量子纠缠是量子物理区别于经典物理的地方。
什么是量子叠加？丁洪举了个例子，在经典物理中，从宏观角度来看，任何物质的“态”都是确定的。比如，将一本书放在桌子上，不是正面就是反面。在量子世界中，书却可以是正面的也可以是反面的，成为一个不确定的叠加态。
同样，电子自旋也有叠加态。电子的自旋，方向可能是向上，也可能是向下。它的叠加态就是一半向上一半向下，是不确定的。
过去，人们一直没发现其中的问题，直到提出“薛定谔的猫”这一实验。薛定谔提出设计一个实验，在笼子里放一只猫，里面放置一个毒气瓶。装置里有一个开关，用电子的自旋状态去控制。如果它自旋向上就会将开关打开，放出毒气毒死猫；如果自旋向下，猫就是安全的。
那么问题来了，如果电子处于叠加态，猫是死是活？答案是：猫一半是活的，一半是死的。
量子纠缠则更为玄妙。两个纠缠的粒子，不管距离多远，对其中一个粒子进行观测就会即时影响到其它粒子。“量子纠缠就像在量子世界打了一个虫洞。”说到如何理解量子纠缠，丁洪用电影《星际穿越》中的虫洞打了个比方。
拥有指数级计算能力
明升官网明升体育app院郭光灿院士曾这样解释量子计算机的计算能力。他说，量子比特可以制备两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。考虑一个N个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2N个可能数据当中的某一个；若它是量子存储器，则它可同时存储2N个数据。而且随着N的增加，其存储信息的能力将呈指数级上升。
关于指数级增长的威力，丁洪讲了一个故事。在古代印度，一位老人带着他发明的国际象棋去见国王。国王非常高兴，决定赏赐他东西。老人却表示，国王无法满足自己的要求。老人的愿望是什么？
在棋盘的第一格上放1粒小麦，第二格上放2粒小麦，第三格上放4粒，第四格上放8粒……一直到第六十四格为止。结果却发现，这是个天文数字。
为了开发量子计算机强大的并行计算能力，上世纪90年代明升体育app家们提出了无序数据库搜索和大数因子分解两种算法。
发展势头迅猛
量子计算不仅可应用于人工智能领域，提升机器学习效率，还能应对复杂情况，如实现天气的精准预测。生活中的诸多不便如交通拥堵，也能依靠其算法解决。
“（量子计算）发展非常迅速。”丁洪说，以前普遍认为量子计算机是三、五十年之后才能出现的。按照现在的发展速度，可能三五年后就会出现。
目前谷歌、微软、英特尔、IBM、阿里巴巴等国际巨头都积极参与到量子计算机的研究中。2017年12月13日，IBM宣布将与三星、摩根大通和巴克莱银行等12家主要公司合作，共同开发商用量子计算。
为加速进入量子计算机阵营，各国政府也是“不惜血本”。2013年到2015年的财政预算显示，欧盟在该领域的投入达48亿元，美国投入31.5亿元用于量子计算机的研发，我国也投入19亿元推进量子领域的发展。目前我国正在筹建量子信息明升体育app国家实验室，一期建设用地810亩，一期总投资70亿元。
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