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量子計算：在一些特定領域上相對經(jīng)典計算有優(yōu)勢

早在上世紀80年代，就有科學家提出了將量子效應引入信息處理的構(gòu)想，量子計算的概念開始出現(xiàn)在世人眼中。經(jīng)過近四十年的理論和技術發(fā)展后，量子計算正逐漸從模糊的構(gòu)想化為現(xiàn)實。

量子效應與日常世界存在很大差異。在經(jīng)典計算中，信息由“比特”表示，具有“0”和“1”兩種狀態(tài)，通過“門”來操作比特、執(zhí)行計算。但量子計算機中用到的“量子比特”則與經(jīng)典比特完全不同。

量子計算利用量子力學基本特性計算，是一種完全不同于經(jīng)典計算的計算模式。量子比特不僅可表示“0”或“1”兩個狀態(tài)，同時還能表示兩個值任意權重的疊加。這意味著1個量子比特對應一個2維空間，N個量子比特對應的則是2的N次方維空間。

這些特點使得量子計算機具備了極強的并行計算能力，這種強大的運算能力也讓量子計算機有可能完成部分經(jīng)典計算機無法解決的任務。

國盾量子高級工程師楊威風博士就向觀察者網(wǎng)表示，量子計算機的計算能力是一個指數(shù)級的加速，將來它的計算能力相對于經(jīng)典計算機有質(zhì)的提升。

國盾量子專家楊威風博士

另一位業(yè)內(nèi)專家也告訴觀察者網(wǎng)，由于量子計算機計算能力隨著規(guī)模指數(shù)增長，在量子計算與經(jīng)典計算的這場競賽中，量子計算可以輕松保持優(yōu)勢。量子計算利用量子力學的基本特性進行計算，是一種完全不同于經(jīng)典計算的計算模式。

“祖沖之二號”、谷歌“懸鈴木”和超級計算機“富岳”完成隨機線路采樣問題時間對比 圖自中科院量子計算云平臺

不過專家同時指出，經(jīng)典計算機的算力以及算法在不斷發(fā)展，量子優(yōu)越性演示不是一蹴而就的事，而是一個過程?！傲孔佑嬎憬鉀Q一個具體問題還需要有相應的量子算法，目前只在一些特定領域的問題上有高效的量子算法。因此量子計算只在一些特定領域的問題上相對經(jīng)典計算有優(yōu)勢，并不能替代經(jīng)典計算機?！?

他表示，量子計算機的優(yōu)勢在于可通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，獲得比經(jīng)典計算機更強的算力。大規(guī)模通用容錯量子計算機可以在化學反應計算、材料設計、藥物合成、密碼破譯、大數(shù)據(jù)分析和機器學習、軍事氣象等領域產(chǎn)生顛覆性影響。

“研制容錯的通用量子計算，因其苛刻的容錯閾值和大尺度的量子比特數(shù)目，離目前人類的科技發(fā)展水平尚有不小的差距。在容錯的通用量子計算研制出之前，帶噪聲的中等規(guī)模量子計算機也有望在特定領域找到有實用價值的應用，預期應用包括量子機器學習、量子化學、量子近似優(yōu)化等。”

對于量子計算機的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發(fā)展階段：

一是發(fā)展具備50到100個量子比特的高精度專用量子計算機，實現(xiàn)計算科學中的“量子計算優(yōu)越性”里程碑；二是研制可相干操作數(shù)百個量子比特的量子模擬機，用于解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題；三是研制可編程的通用量子計算原型機。

如今，我國剛剛實現(xiàn)了在光量子計算和超導量子計算兩個物理體系中達成第一個里程碑。

在其他技術路線方面，中國同樣也沒有放慢研究的步伐。楊威風表示，我國的光量子和超導量子計算現(xiàn)在都處于世界領先水平，而諸如離子阱、硅自旋等技術路線的研究同樣在進行中。

業(yè)內(nèi)專家也向觀察者網(wǎng)透露，在超冷原子體系上，我國目前整體與歐美發(fā)達國家處于并跑狀態(tài)，在規(guī)?；蛹m纏的制備與操縱，對自旋軌道耦合、超冷分子反應等的量子模擬方面取得了系列重要成果，為解決若干經(jīng)典計算機難以勝任的復雜問題奠定了基礎。

“沒想到他們竟然會在一周里同時公布兩個量子計算結(jié)果”

其實早在今年6月，“祖沖之二號”和“九章二號”的論文就已在預印本平臺arXiv提前公開，這一系列成果也很快引起國際學術界、媒體和公眾的廣泛關注。有國際同行大贊潘建偉團隊取得了令人印象深刻的進步。

美國知名科普雜志《科學美國人》7月就以“新的研究表明，中國在全球量子競賽中取得領先”為題發(fā)文稱，在2017年中國科學家從“墨子”號衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子、進行首次量子安全視頻通話時，中國已在量子通信方面取得領先，而新的成果表示這種優(yōu)勢已經(jīng)擴大到量子計算領域。

得克薩斯大學奧斯汀分校知名量子計算機科學家、高斯玻色采樣的共同提出者斯科特·亞倫森（Scott Aaronson）也告訴該雜志，這是一個令人興奮的成果，“我沒想到他們竟然會在一周里同時公布兩個量子計算結(jié)果?！?

美國在量子計算機領域的發(fā)展也極為迅速。2016年，美國IBM公司就率先推出一臺5量子比特的量子計算原型機。2019年，美國谷歌公司又宣布成功研制53個量子比特的超導量子計算機“懸鈴木”（Sycamore），并完成了量子隨機線路采樣的快速解決，首次實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的里程碑。

潘建偉團隊取得的最新成就也隨之引出了一個問題，“中國在量子信息技術上領先美國了嗎？”