量子力學(xué)的誕生和發(fā)展，為“計(jì)算”提供了新的可能性，開辟了新的維度。當(dāng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)遭遇物理極限，基于量子疊加態(tài)與糾纏特性的量子計(jì)算機(jī)，如今正逐步從理論走向現(xiàn)實(shí)，撬動(dòng)密碼學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)藥、人工智能等領(lǐng)域的根本變革。今天是世界量子日，讓我們一起揭開量子計(jì)算的神秘面紗。

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01 制造量子計(jì)算機(jī)，敢問“難”在何方？

量子計(jì)算的發(fā)展最早可以追溯到上世紀(jì)80年代。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力，不斷創(chuàng)造著算力“奇跡”。日前，中國科學(xué)家在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大突破，成功構(gòu)建出具有105個(gè)量子比特的“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，并通過隨機(jī)線路采樣（RCS）實(shí)驗(yàn)再次刷新量子計(jì)算優(yōu)越性紀(jì)錄，處理“量子隨機(jī)線路采樣”問題的速度比目前國際最快的超級計(jì)算機(jī)快千萬億倍。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、“祖沖之號”量子計(jì)算總師朱曉波（左一）與學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。新華社發(fā)（代蕊攝）

但量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，在實(shí)際應(yīng)用中還面臨著許多挑戰(zhàn)和限制：

第一，操控和測量要“精益求精”。量子比特是量子信息的基本單元，也稱“量子位”。量子計(jì)算機(jī)要求對很多量子比特進(jìn)行獨(dú)立的操控和測量，而對單個(gè)量子態(tài)的精確操控和測量本身就是一件很富有挑戰(zhàn)的事情，直到20世紀(jì)末我們才開始建立相關(guān)的工具和能力，且目前制造和維護(hù)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)難度極大、成本極高；

第二，多學(xué)科交叉須“全球合作”。量子計(jì)算機(jī)實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)性技術(shù)，涉及到力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉，幾乎不可能由單一個(gè)人或團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成，必須是一個(gè)全球合作的協(xié)同事業(yè)；

第三，材料和工藝應(yīng)“集腋成裘”。制造量子計(jì)算機(jī)涉及到大量材料和工藝的探索和進(jìn)步，而材料和工藝需要通過大量的時(shí)間積累。

02 超導(dǎo)量子VS光量子，誰更c(diǎn)ity？

光量子計(jì)算與超導(dǎo)量子計(jì)算是當(dāng)前量子計(jì)算領(lǐng)域的兩大主流技術(shù)路線。它們都能驗(yàn)證量子優(yōu)越性，但屬于不同體系，在運(yùn)行環(huán)境、技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)用場景等存在顯著差異。

以祖沖之三號為代表的超導(dǎo)量子計(jì)算，采用超導(dǎo)量子電路中的宏觀量子態(tài)作為量子比特，具有良好的可編程性，是目前認(rèn)為最有前景的通用量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)方案之一。

以九章為代表的光量子路線利用光子的相干性進(jìn)行“計(jì)算”，本質(zhì)上是一個(gè)光路，不具備可編程性。盡管現(xiàn)在的光量子線路中可實(shí)現(xiàn)有限的調(diào)節(jié)能力，但距離量子計(jì)算機(jī)所要求的邏輯門級可編程性甚遠(yuǎn)，就目前來說，是無法實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的，或許可解決某些特定問題。

這是光量子干涉實(shí)物圖：左下方為輸入光學(xué)部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個(gè)光學(xué)模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導(dǎo)單光子探測器連接。新華社發(fā)

即便二者均演示了所謂量子優(yōu)越性，不過我們?nèi)詰?yīng)保持清醒：它們均不能解決具體問題。量子計(jì)算距離解決實(shí)際問題——實(shí)現(xiàn)“商用量子優(yōu)勢”，還有一段距離，很多人認(rèn)為這個(gè)距離是三到五年?？缭竭@個(gè)gap的關(guān)鍵不是量子糾錯(cuò)，而是如何讓量子和經(jīng)典協(xié)同融合計(jì)算，推動(dòng)融合計(jì)算方法和工具的進(jìn)步，推動(dòng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的算法發(fā)展，推動(dòng)量子硬件的不斷進(jìn)步。

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03 量子計(jì)算時(shí)代的倫理考量

量子計(jì)算所將帶來的倫理和道德挑戰(zhàn)是必須要考慮的。量子計(jì)算是新鮮事物，目前相關(guān)的法律法規(guī)和國際公約是幾乎空白的。如果它能夠解決某些棘手問題，比如破解密碼，不僅會(huì)成為大國制衡的秘密工具，還有可能被別有用心的黑客或犯罪組織團(tuán)體利用，或?qū)е录夹g(shù)濫用、個(gè)人隱私威脅等。這需要我們?nèi)ニ伎既绾未_保技術(shù)進(jìn)步與社會(huì)福祉的和諧發(fā)展。

量子計(jì)算機(jī)的真正價(jià)值，不僅在于超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度競賽，而是有望開啟全新的計(jì)算范式——這需要科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)界和公眾共同參與，構(gòu)建技術(shù)生態(tài)。

作者：金貽榮 北京量子信息科學(xué)研究院研究員，博士生導(dǎo)師

策劃：閻冬 翟國慶

出品：科普中國