出品：科普中國
製作：中國科學技術大學 郭光燦 中國科普博覽
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息、運行的是量子算法時，它就是量子計算機。現在或許還無法準確預測“量子計算機時代”何時到來，但在科學家看來，已經沒有什麼原理性的困難可以阻擋這種革命性、顛覆性產品的誕生。
量子計算機研製（圖片來源於網絡）
以半導體芯片為核心的計算機的發明成就了現代信息技術產業（硬件、軟件、網絡、通信等）的高速發展，深刻改變了人類的社會活動形式，甚至是國防安全和國家核心競爭力。半導體集成電路芯片幾十年以來一直沿著“摩爾定律”發展，單位芯片上晶體管數目越來越多，集成度越來越高。
截止到目前，集成電路芯片製造工藝處於14&10nm技術代量產階段，更小尺寸的技術代（7nm和5nm）處於研發階段。在可預見的未來將達到控制電子的物理極限，當單個晶體管縮小到只能容納一個或幾個電子時，就會出現單電子晶體管（量子點），量子隧穿效應將不可避免的影響電子元器件的正常工作。儘管科研人員正在努力通過各種手段進一步延續晶體管的製程尺寸並同時開發多核芯片技術，但相關技術只能在有限範圍內優化傳統芯片性能，無法阻止“摩爾定律”必將被打破的歷史趨勢。
集成電路芯片（圖片來源於網絡）
當現代計算機芯片在經典物理領域內無法進一步提升結構性能時，可以研究探索有別於當前計算機架構的新型結構和多核芯片，或者研究量子力學規律開發量子計算。新型結構需要拋棄當前計算機所遵循的馮·諾依曼架構，而量子計算則需要改變現有半導體芯片的基本結構，利用量子疊加和量子糾纏來實現邏輯運算。國際半導體技術發展路線圖認為多核芯片等技術只能短期延續摩爾定律，中長期必然要發展以量子物理為基礎的量子計算等顛覆性、革命性新型器件來超越摩爾定律，信息的量子化趨勢將不可避免。量子計算是芯片尺寸突破經典物理極限的必然產物，是後摩爾時代具有標誌性的技術。
對於現代計算機而言，通過控制晶體管電壓的高低電平，從而決定一個數據到底是“1”還是“0”，採用“1”或“0”的二進制數據模式，俗稱經典比特，其在工作時將所有數據排列為一個比特序列，對其進行串行處理。而量子計算機使用的是量子比特，量子計算機能秒殺傳統計算機得益於兩個獨特的量子效應：量子疊加和量子糾纏。量子疊加能夠讓一個量子比特同時具備0和1的兩種狀態，量子糾纏能讓一個量子比特與空間上獨立的其他量子比特共享自身狀態，創造出一種超級疊加，實現量子並行計算，其計算能力可隨著量子比特位數的增加呈指數增長。理論上，擁有50個量子比特的量子計算機性能就能超過目前世界上最先進的超級計算機“天河二號”，擁有300個量子比特的量子計算機就能支持比宇宙中原子數量更多的並行計算，量子計算機能夠將某些經典計算機需要數萬年來處理的複雜問題的運行時間縮短至幾秒鐘。這一特性讓量子計算機擁有超強的計算能力，為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供瞭解決方案，並可揭示高溫超導、量子霍爾效應等複雜物理機制，為先進材料製造和新能源開發等奠定科學基礎。
量子計算機工作原理（圖片來源於網絡）
此外，量子計算的信息處理過程是么正變換，么正變換的可逆性使得量子信息處理過程中的能耗較低，能夠從原理上解決現代信息處理的另一個關鍵技術--高能耗的問題。因此，量子計算技術是後摩爾時代的必然產物。
量子計算技術不僅能克服現代半導體工藝因為尺寸減小而引起的熱耗效應，還能利用量子效應實現功能強大的並行計算，極大地提高計算速度和信息處理能力。規模化通用量子計算機的誕生將極大地滿足現代信息的需求，在海量信息處理、重大科學問題研究等方面產生巨大影響，甚至對國家的國際地位、經濟發展、科技進步、國防軍事和信息安全等領域發揮關鍵性作用。
（一）國家影響力
信息是當今世界最為重要的戰略資源，計算機技術是現代信息技術的核心，信息處理能力是信息時代的基本生產力，是國家的核心競爭力，體現國家綜合實力的重要標誌。二戰結束以來，美國一直佔據超級計算機研發的尖端，最初主要用於計算導彈彈道以及核武器模擬計算等軍事活動當中，後來逐步應用到科研、產品研發、金融等各個領域。隨後，計算機和互聯網技術在美國迅速發展壯大，並在世界範圍內擴展和加速全球化進程，美國在此過程中積累了其強大的國際影響力。量子計算科技革命給了我國一個從經典信息技術時代的跟蹤者、模仿者轉變為未來信息技術的引領者的、不可錯過的偉大機遇。量子計算技術是一種顛覆性技術，關係到一個國家未來發展的基礎計算能力，一旦形成突破，會使掌握這種能力的國家迅速建立起全方位戰略優勢，引領量子信息時代的國際發展。
（圖片來源於網絡）
（二）經濟影響力
量子計算機能克服現代計算機發展所遇到的能耗和量子效應問題，從而擺脫半導體行業面臨的摩爾定律失效的困境，同時突破經典極限，利用量子加速、並行特性解決經典計算機難以處理的相關問題。作為現代計算機的顛覆者，未來量子計算機會像經典計算機一樣形成龐大的技術產業鏈，在國民經濟生活中產生重大影響。其突破必將為信息和材料等科學技術的發展開闢廣闊的空間，成為後摩爾時代和後化石能源時代人類生活的技術依託。量子計算機的研製必將帶動包括材料，信息，技術，能源等一大批產業的飛躍式發展。量子計算機強大的並行計算和模擬能力，將為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供瞭解決方案，從而為提高國家整體經濟競爭力創造條件。
量子計算與氣象預報（圖片來源於網絡）
（三）科技影響力
過去50年以來，半導體及信息行業的技術發展經歷過數次突破，從處理器的運算速度到存儲器容量，再到網絡帶寬，每一次突破之後都能帶來巨大的社會進步。目前，海量數據處理已成為急需攻克的壁壘。當前計算機處理海量數據的能力非常薄弱，傳統計算機已經遠遠無法滿足信息量爆炸式增長的需求，迫切需要從原理上突破超大信息容量和超快運算速度的瓶頸，而量子計算機正好能有效滿足這一需求。量子計算機在科學研究領域具有廣泛應用前景。學術界認為，在量子計算機達到大規模應用的比特數之前，將首先用於對量子體系的模擬。量子計算機利用其特殊的量子力學原理，將為強關聯等物理學提供完美的檢驗平臺。同時量子計算對於生物製藥、機器學習、人工智能領域將產生深遠影響，並對提高國家科技影響力起到積極作用。
人工智能（圖片來源於網絡）
（四）軍事影響力
量子物理與計算科學第一次大規模結合的直接原因就是研製核心武器的需求。在計算技術的發展歷程中，軍事應用價值始終是其重要推動力之一。量子計算機的強大功能應用到國防建設時，其強大的運算、搜索、處理能力，將為未來武器研發提供計算、模擬平臺，縮短研發週期，提高武器研發效率。還將在未來戰場上破譯加密密文，為及時高效準確的情報和戰況分析提供技術支撐，提升作戰能力，同時在戰場計劃、組織決策、後勤保障等方面發揮巨大作用，甚至有可能改變未來戰爭的形態，掌握其核心技術能夠極大地增強國防綜合實力。
量子物理與軍事（圖片來源於網絡）
（五）國家信息安全
量子計算機最受關注的重要應用之一是破譯現代密碼體系。理論研究表明，目前使用的RSA公開密鑰體系在量子計算機面前將不堪一擊。構建於基於經典保密系統之上的安全體系將變得無秘可言。此外，量子計算對於信息安全的威脅還具有前溯性，如果現在的通信網絡流量遭到竊聽並被存儲下來，未來潛在的對手利用量子計算能力，就能對這些通常加密的信息進行破解，從而在多年以後將威脅範圍追溯到當前。量子計算機的研製已經成為國際社會關注的焦點，其對國家安全體系的重大意義不言而喻。
量子計算機縱然有無比強大的顛覆性功能，然而通用量子計算機的研製過程是相當複雜的。研製量子計算機的關鍵在於量子比特的製備。量子比特非常脆弱，外界任何微弱的環境變化都可能對其造成破壞性影響。因此，量子計算機的核心部件通常處於比太空更加寒冷的密封極低溫環境中，防止受到其他環境因素的干擾。量子比特的製備方式存在多種方案，經過近二十年的發展，國際主流研究集中到了超導量子比特、半導體量子點、囚禁離子、鑽石空位和拓撲量子比特等。
由於量子計算對於國家安全及經濟發展的巨大影響，世界各國政府持續高強度資助量子計算機的研製。毫無疑問，美國在量子計算機研製上是國際最領先的，並且有著完整的佈局。雖然量子計算研究的進展低於十年前的預期，但還是讓人們看到了突破可集成化量子計算機技術瓶頸的希望。特別當量子比特的保真度突破了容錯量子計算的閾值，使得一些基本量子算法得到演示。這些巨大的成就吸引了一些國際商業機構和政府部門的極大關注。
（圖片來源於網絡）
量子計算機研製已經進入一個十分關鍵的時刻，國際上超大計算機、信息企業都投入巨大人力、物力來研製量子計算機。主要包括：2012年微軟研究院（美國）成立了量子體系結構與計算研究組，主要的目標是實現量子計算機軟件體系結構, 包括量子程序設計語言及編譯系統。2013年穀歌公司與美國國家航空航天局（NASA）聯合成立了量子人工智能實驗室，研究如何將量子計算機應用於大數據分析與機器學習。2014年9月2日谷歌宣佈美國UCSB大學的 Martinis教授研究組加入谷歌公司研發量子計算機處理器。2014年 IBM宣佈耗資30億美元研發下一代芯片（五年計劃），主要是量子計算與神經計算。2015年世界最大的芯片製造商Intel公司宣佈投入巨資與荷蘭代爾夫特理工大學合作研發基於硅量子點的量子計算機，並於近日開發出了將量子計算機需要的超純硅附著在傳統微電子工業標準晶圓上的技術，以期搶佔半導體量子計算機研製的制高點。2015年5月，全球最大的國防工業企業洛克希德.馬丁(Lockheed Martin)與馬里蘭大學合作研發集成量子計算平臺。2016年5月4日IBM公司發佈了5個量子比特的量子計算雲服務。2016年8月4日馬里蘭大學與美國國家標準與技術研究院（NIST）發佈5個量子比特的可編程量子計算機。美、日、歐等發達國家在前期已經投入大量研發資金之後，2016年4月歐盟又宣佈於2018年啟動總額10億歐元的量子技術項目，促進包括通用量子計算機等在內的多項量子技術的發展。同月，澳大利亞政府宣佈在澳大利亞量子計算與通信技術中心成立量子計算實驗室，進一步集中對半導體硅基量子芯片等研究加大投入，以期搶佔半導體量子計算的制高點。
我國政府也很重視量子信息技術的發展，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中將“量子調控研究”列為四個重大科學研究計劃之一，給予量子信息技術穩定的研究支持，做出了一系列創新性研究成果，在某些方面已經處於國際領先地位，特別是基於量子物理的新型量子保密通信技術已逐步邁向實用化產業化。
然而實用化量子計算機的研製是一個系統工程，既要以量子物理為基礎進行量子計算模型的原理性創新，又要從材料體系，結構工藝，系統構架和軟件控制等工程技術創新和積累，我國在現代工藝技術上的基礎薄弱，在核心電子器件、高端通用芯片、基礎軟件、極大規模集成電路製造裝備等長期落後，也導致我國量子計算的研究大都侷限於原理驗證性和演示性層面，缺乏系統深入的實驗平臺和以實用化量子計算機為目標的研究隊伍。特別是在可擴展的固態量子比特研究體系上，國內只有中國科學技術大學、南京大學、清華大學、浙江大學和中國科學院物理研究所等少數單位開展相關研究。雖然經過近幾年不懈努力，我們在半導體量子點和超導量子比特研究中取得了一系列重大突破，在某些方面達到了世界一流水平，但是與國際領先水平還有差距，特別是在人力和物力方面的投入與歐美國家相比還遠遠不足。
（圖片來源於網絡）
量子計算機的研製需要物理、材料、信息和計算機科學等多學科的緊密協調和結合，從而實現從大規模器件的製備向微電子工程方面邁進。通用量子計算機的研製還有很長的路需要走，量子計算機的研製將伴隨著經典計算的發展一起前進，相信隨著量子比特的保真度達到容錯量子計算的閾值，量子計算機的研究已經從實驗室階段向工程技術化階段邁進，越來越多的研究單位和大型公司企業將進入，從而加速可實用化通用量子計算機研製的進程。從先進的發展模式而言，各大公司與研究機構合作研製量子計算機是集科研機構、公司、政府部門等於一體的研發模式，這可能是未來推進量子計算機研製的一種有效模式。
“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。
