量子計(jì)算機(jī)剛進(jìn)入它的“電子管時(shí)代”

雖然無數(shù)次聽過量子計(jì)算機(jī)的大名,但就像所有帶“量子”兩字的概念,人們大多不甚了然。

量子計(jì)算機(jī)的概念1980年代提出,投入研發(fā)20年,迄今還沒有一臺(tái)真正走出實(shí)驗(yàn)室。但傳說它(將來會(huì))很厲害。谷歌、IBM、阿里巴巴和許多初創(chuàng)公司在競(jìng)爭(zhēng),想第一個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”,也就是讓量子計(jì)算機(jī)在一個(gè)計(jì)算任務(wù)中快過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

粗淺了解一點(diǎn)量子計(jì)算機(jī)的原理后,你會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)它和我們熟知的電腦差不了多少。

量子計(jì)算機(jī):量子版的計(jì)算機(jī)

“別把量子計(jì)算機(jī)想成全新的系統(tǒng),它就是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展版,處處模仿經(jīng)典計(jì)算機(jī)。”安徽問天量子科技股份有限公司首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓正甫教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

韓正甫說,經(jīng)典計(jì)算機(jī)以電壓高低代表數(shù)字1或0,即為一比特(bit)。

而量子計(jì)算機(jī)里對(duì)應(yīng)的是量子比特(Q-bit),那可能是自旋箭頭向上或向下的一個(gè)電子,也可能是“立直振動(dòng)”或“躺平振動(dòng)”的光波……

傳統(tǒng)計(jì)算電路由各種“邏輯門”組成,對(duì)應(yīng)的就是量子計(jì)算機(jī)的各種“量子邏輯門”。都是根據(jù)一定的規(guī)則,變化存儲(chǔ)位的0和1。

韓正甫說:“傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是這么玩的:一排存儲(chǔ)位寫進(jìn)去一個(gè)初值(比如10011001)。接下來若干步操作,每一步存儲(chǔ)器里邊的數(shù)都變換成另外一組數(shù)。走完程序停下來,把里面的數(shù)讀出來,比如00101010,就是計(jì)算結(jié)果。”量子計(jì)算機(jī)同樣如此。

量子計(jì)算機(jī)不同之處,是丘比特(Q-bit)特別靈活,沒bit那么死板。它同時(shí)是0和1。比如:它是六成的0和四成的1。這讓它有了超能力。學(xué)過一點(diǎn)量子力學(xué)才能理解Q-bit的奧妙。

模糊又精確的Q-bit

什么叫“它是六成的0和四成的1”呢?

補(bǔ)習(xí)一下高中物理:20世紀(jì)初的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),物質(zhì)細(xì)小到極限,就無法被準(zhǔn)確測(cè)量。因?yàn)闇y(cè)量意味著干涉,哪怕你只看一眼。當(dāng)對(duì)象微小到了量子級(jí)別,它的狀態(tài)會(huì)被觀測(cè)徹底破壞。(順便一說,“一觸即潰”的效應(yīng)被用于量子通信。用量子來承載密碼,可以做到有人竊聽這個(gè)密碼信號(hào),一定會(huì)被發(fā)覺。)這就叫“測(cè)不準(zhǔn)原理”。東西越小,就越顯得模糊。你去測(cè)量一個(gè)電子的位置,這次測(cè)出來在北京,下次測(cè)出來在天津。我們只能說一個(gè)量子“大概率在北京”,“大概率自旋箭頭沖上”,“大概率平躺著振動(dòng)”……

這些概率,是可以多次測(cè)量確定的,雖然單次測(cè)量的讀數(shù)不一定。

所以量子比特是模糊的也是精確的:同一個(gè)數(shù)時(shí)而讀出0,時(shí)而讀出1;但多次去讀,出現(xiàn)0的概率會(huì)趨于一個(gè)定值,比如說60%。

為什么量子計(jì)算更快?

“在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)里,一個(gè)高電壓疊加另一個(gè)高電壓,仍然是一個(gè)高電壓;量子比特的疊加則不同。”韓正甫說。

量子比特存儲(chǔ)的是一個(gè)矢量,就好像一個(gè)時(shí)鐘,時(shí)針對(duì)應(yīng)著概率。

時(shí)針可以指向零點(diǎn)(量子比特讀數(shù)100%是0),或指向三點(diǎn)(讀數(shù)100%是1)。或指向一點(diǎn)半(50%是0,50%是1),或指向任意一個(gè)角度。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的是“10011001”。

量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的是“鐘鐘鐘鐘鐘鐘鐘鐘”。(請(qǐng)自行想象酒店大堂掛的一排鐘表)

傳統(tǒng)計(jì)算中,1和0疊加為1,再疊加一個(gè)1,得到0。

量子計(jì)算中,“三點(diǎn)”和“零點(diǎn)”疊加為“一點(diǎn)半”,再疊加“三點(diǎn)”,得到的是“兩點(diǎn)一刻”。

比起bit,Q-bit更有表現(xiàn)力。一個(gè)Q-bit可蘊(yùn)含無限復(fù)雜的數(shù)字。在這個(gè)意義上“以一抵多”。一個(gè)Q-bit投入變換,等于多位數(shù)字一起變換,即所謂“并行計(jì)算”。

并行計(jì)算潛力發(fā)揮到極限的情況下,量子計(jì)算機(jī)的算力比起傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),是2^n∶1。

但要強(qiáng)調(diào)的是: 量子計(jì)算機(jī)的結(jié)果來自概率統(tǒng)計(jì)。量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)不同,它要一次次重復(fù)程序,一次次地讀數(shù)(每次結(jié)果都不一樣)。周而復(fù)始,足夠多次(讓概率的可信度超過99.99999%)后,統(tǒng)計(jì)出各量子位為1和0的比例,那才是需要的數(shù)字。所以碰上不太復(fù)雜的計(jì)算任務(wù),量子計(jì)算可能比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更慢。

彩虹與斑馬

有量子計(jì)算機(jī)之前,數(shù)學(xué)家就在暢想利用量子比特的“豐富內(nèi)涵”大大縮減計(jì)算時(shí)間。不過迄今數(shù)學(xué)家只證明在兩種場(chǎng)景中,量子計(jì)算大大快于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

首先是破解RSA算法。RSA是現(xiàn)在最常用的加密方法,其機(jī)理是利用因數(shù)分解的困難——把兩個(gè)大質(zhì)數(shù)相乘很簡(jiǎn)單,而把乘積拆成兩個(gè)質(zhì)數(shù),計(jì)算機(jī)可能得算幾萬年。

所以銀行可以公開發(fā)送一個(gè)幾千位的數(shù)字,并掌握它的兩個(gè)質(zhì)因數(shù),而不擔(dān)心有人算出這兩個(gè)質(zhì)因數(shù)——用于制造私有的數(shù)字鑰匙。

但二十多年前Peter Shor證明一種基于量子計(jì)算機(jī)的算法,可以輕松分解因數(shù),這也讓學(xué)界研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的興趣大增。

另一種可能的應(yīng)用是“搜尋未排序的大數(shù)據(jù)庫(kù)”,或者叫“大海撈針”。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能一個(gè)一個(gè)比對(duì)目標(biāo),而量子計(jì)算機(jī)則可以并行計(jì)算。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)用時(shí)是T的話,量子計(jì)算機(jī)用時(shí)是“根號(hào)T”。前者要花費(fèi)1百萬小時(shí)的任務(wù),后者一千小時(shí)就能解決。

除了以上兩類計(jì)算,量子計(jì)算機(jī)還被寄希望于未來在化學(xué)、制藥等領(lǐng)域大發(fā)神威。理由是:不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),量子計(jì)算機(jī)是真正的模擬計(jì)算機(jī),可以重現(xiàn)真實(shí)的自然(物理學(xué)家費(fèi)曼第一個(gè)指出這點(diǎn))。

傳統(tǒng)比特的0和1相當(dāng)于黑白兩色,量子比特的“可以指向任何角度的時(shí)針”就相當(dāng)于全彩色譜,可顯示出任何一種顏色。

如果說傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器是斑馬,量子存儲(chǔ)器里就是彩虹。世界是多彩的,用彩虹去描繪世界,當(dāng)然更直接,更便捷。

才剛起步

量子很脆弱,動(dòng)不動(dòng)就會(huì)崩潰。

“要將信息編碼在一個(gè)非常微小的東西上去,比如一個(gè)電子,或一個(gè)原子核,都首先要把它孤立開來,讓它跟周邊不作用。這種細(xì)微的控制是很難的。”韓正甫說。

各種量子載體都伴隨著獨(dú)特的困難,比如光子時(shí)刻前進(jìn),電磁場(chǎng)又左右不了它,操控起來很麻煩。目前研究者大概在實(shí)驗(yàn)幾十種載體:電子、光子、陷阱里的離子……

韓正甫說:“隸屬中科大的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,現(xiàn)在正副教授就有50多人,在讀的博士生有150人,博士后近30位,一個(gè)團(tuán)隊(duì)里有很多不同的組,研究的事情雖然互相可以理解,但術(shù)業(yè)有專攻,比如‘做硅’的就會(huì)去研究曝光、清洗等等半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)心的工藝;‘做光’的研究激光發(fā)生器、振蕩器、光纖之類。”

“國(guó)內(nèi)從1980年代初開始量子光學(xué)研究。現(xiàn)在多了不少人,但還是個(gè)冷門。專業(yè)人才稀缺。”韓正甫說,“其實(shí)全世界人才都不夠。所以谷歌花了幾億美元從加州大學(xué)圣芭芭拉分校挖了一個(gè)團(tuán)隊(duì)過來,主要研究超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。”

目前各大公司和研究機(jī)構(gòu)仍在提升量子比特量——爭(zhēng)取幾十個(gè)量子同時(shí)穩(wěn)定,別太快塌陷。超導(dǎo)機(jī)器為了讓環(huán)境接近絕對(duì)零度,成本高達(dá)成百上千萬美元。工程實(shí)驗(yàn)機(jī)在進(jìn)步,但幾時(shí)走到實(shí)用還不知道。

回顧1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC,用了18000個(gè)電子管,那是一種抽成真空電子飛行其中的玻璃管。ENIAC重30噸,每秒鐘僅計(jì)算5000次。沒有十多年后的半導(dǎo)體革命,就談不上今天的電腦和手機(jī)。

應(yīng)該說,量子計(jì)算機(jī)剛進(jìn)入它的“電子管時(shí)代”。 記者 高 博