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量子领域的较量
2016年8月16日,我国成功发射了世界上第一颗量子卫星.在这之前,中国科技大学的量子实验室成功研发出半导体量子芯片和量子存储技术,宣告了我国对量子计算机的研究取得了突破性进展.而美国谷歌公司则宣称,有望在2017年底前建成一台完全可超越目前全球最好的超级计算机的量子计算机.可以说,量子通信和量子计算机这两项量子领域的前沿项目正在“比翼齐飞”；中、美两个在量子领域研究中领先的国家也在开展一番“较量”.
量子卫星与量子计算机“血脉相通”
“墨子”号量子卫星的成功发射,把量子实验从地面搬上太空,从而构建一个天地一体化的量子保密通信和科学实验体系.这不仅会开创安全通信的新时代,还将促进量子计算机的研发.因为量子卫星和量子计算机都要依靠量子传输这一关键技术进行信息传输,就像亲哥俩“血脉相通”一样.
量子卫星之所以能保障通信安全可靠,是因为量子卫星让信息传递者和接收者交换令信息无法被的量子密钥,而这个密钥是利用量子的奇异特性实现的,它就是“量子纠缠”.
20世纪80年代初,法国科学家阿兰·阿斯佩首次用实验证实了“量子纠缠”现象的存在.这里所说的量子纠缠,是指在两个处于“纠缠态”的微观粒子中,无论它们相距多么远,若对其中一个的特性进行任何修改,那么就像孙悟空和其分身“心有灵犀”一样,都会立即在另一个粒子上出现反应并做出相应改变.利用这种特性产生的量子密钥,就可以保证任何外人都无法通信.因为量子密钥一旦被截获或被测试,其状态就会立即发生改变.有人对此进行了形象的比喻：如果有人尝试在信息传输中拦截,那就像碰到了肥皂泡,而肥皂
泡一碰就会破灭.
那么,天地之间是如何进行量子通信的呢？具体来说,先将量子信号从地面发射并穿透大气层,卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星,即量子卫星上；量子信号再从量子卫星上穿入大气层到达地球某个角落的指定接收地点.由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗,如果在技术上能实现纠缠光子在穿入大气层后仍然保持其纠缠特性,那么就可在量子卫星帮助下实现全球化量子通信.
“墨子”号量子卫星通过使用信息加密技术,使其可以在相距数千千米的通信者之间分发量子密钥.这颗卫星开始是在北京和乌鲁木齐之间分发量子密钥,然后还计划向奥地利发送量子密钥.它的预定目标是,在两年内利用卫星建立一个可靠、不会被的通信网络, 并为建立全球量子通信网络奠定基础.
在量子卫星未发射之前,我国多家企业已将量子密钥分发技术投入市场,并在银行之间或政府机构之间建立了这类网络.但是这些光纤网络只能在数十千米的距离内发挥作用, 再远就不行了.因为在地面传输信息时,光子通过空气和光纤时会被分散和吸收,从而对网络的干扰较大.有了量子卫星后,由于光子在太空中传播几乎没有损耗,因而量子卫星开展的量子通信实验距离为1200千米,远远超过了陆地上300千米的最远距离.
量子计算机显露希望曙光
就在量子卫星发射前不久,中国科技大学的量子实验室成功研发出半导体量子芯片和量子存储技术.众所周知,量子芯片可视为量子计算机的大脑,有了它,计算机的逻辑运算和信息处理才成为可能；有了量子存储技术,就能通过它实现超远距离的量子传输.因此,这一关键性的技术突破无疑将令性能高超的量子计算机的问世显露出希望的曙光.
说起量子计算机,人们可能会感到很深奥.这里需要先讲讲量子是什么？通俗地说,量子就是构成物质的基本单元,是能量不可再分割的携带者.例如,光子是光能量的最小单元, 也称光的微粒,不存在半个光子.量子有两个特性,一个是前面所说的量子纠缠,利用它就可以远距离同步传递不会被的信息；另一个是量子叠加,是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上.形象地说,就像著名的“薛定谔的猫”所描述的那样：装在盒子里的猫,在盒子未打开时,猫可能是活的也有可能是死的.这表明,量子的状态随机变化,两种状态可叠加存在,这就是量子叠加态.
世界上大多数科技发明的问世都归因于社会发展的需要,量子计算机也不例外.20世纪80年代初,物理学家理查德·费曼从科研实践中认识到,如果要用传统的电子计算机模拟量子力学,那么微观粒子数量越多,计算量就越大,也就越不可能实现模拟.因此,要模拟量子力学,就必须用和它原理相同的方式.从此开始,量子力学便和计算机科学联系在一起.此后不久,科学家就提出了量子计算机的概念.量子计算机是一种遵循量子力学规律, 能进行高速运算、存储及处理量子信息的物理装置.
世界许多科学家都在全力以赴地研制量子计算机.美国IBM公司和加拿大D-We公司通过不同的方式各自创造出了功能计算机,但这些计算机无法扩展量子比特（Qubits,即量子位）,因而还不能称为量子计算机.目前,大多数量子计算机的研制还都处于实验阶段,而谷歌公司力争要在世界上第一个研制出量子计算机.
谷歌公司的最新研究成果表明,高性能量子计算机的开发难度比此前预期的要低.例如在某些计算方面,包含50个量子位的量子芯片已经比传统电子计算机在运算能力方面更强大,这更增加了人们研制量子计算机的信心.除谷歌外,美国微软公司、IBM公司和我国阿
里巴巴公司都在进行量子计算机的相关研究,并取得了一定的成果.
本领超强的量子计算机
与传统的电子计算机不同,量子计算机所用的量子计算是基于量子效应的新型计算方 式,其基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元,通过大量量子位的受控演化来完成计算任务.
量子计算机之所以比传统电子计算机本领更超强,主要是因为它使用的是可叠加的量子比特,即量子位.在处理数据时,量子位可以同时处于0和1两个状态,这是由量子叠加特性决定的.与其相对比,传统电子计算机中的晶体管一次只能处于0或1的状态.因此,如果要进行海量运算,量子计算机就有了无与伦比的优势.这是因为电子计算机只能按时间顺序来处理数据,而量子计算机能做到超并行运算.具体来说,量子计算机的N个量子位可以同时存储2N个数据,其数据量随N呈指数增长.与此同时,量子计算机操作一次等效于电子计算机要进行2N次操作的效果,也就是说,一次运算完成了2N个数据的并行处理.这就是量子计算机具有超强本领的奥秘.
量子计算机一旦研制成功,无疑是一场现代科技领域的划时代革命.这种新型超强计算机的出现,将把传统电子计算机远远抛在后面.求一个300位数的质因数,目前最好的超级计算机需要几百年乃至上千年的时间来完成,而量子计算机可在以分秒计的时间内得到结果；我国“天河二号”这样的超级计算机需要100年才能处理的任务,一台量子计算机只需0.01秒就能完成.
量子计算机的最大优势在于具有强大的运算能力,能模拟复杂的物理变化和化学反应过程.因此,量子计算机在太空探测、核爆炸模拟、破译、材料和药物研制等领域具有突出的优势,有着广阔的应用前景.
“量子霸权”争夺战
如同研制智能手机、智能汽车和无人机等热门高端智能化产品一样,在“孕育”量子计算机的过程中也存在竞争和较量.在研制量子计算机所取得的成果中,来自中、美两国的研制团队目前名列前茅.为了成为领跑者,谷歌公司宣布将在2017年底前完成量子计算机的研发工作.
早在2013年,谷歌公司就对D-We公司研制的所谓量子计算机进行了测试, 以便弄清它是如何改善搜索功能和人工智能的,从而为研制量子计算机做准备.2014年,谷歌公司招聘了加州大学知名物理学家约翰·马丁内斯,致力于研发计算机的超导量子位课题.2016年6月,谷歌公司发表论文介绍其研制的量子计算机模型.一个月后, 谷歌公司又发表一篇论文,将其研发计划命名为“量子霸权”,并宣示了建造世界上第一台超高性能量子计算机的愿景.这台量子计算机的量子芯片将达到50个量子比特（量子位）,运算速度超过传
统电子计算机.同时,谷歌量子人工智能实验室宣布,公司改进研制的D-We 2x量子计算机的运算速度将是传统电子计算机的1亿倍.
谷歌公司的论文和数据公布后,引起了科技界的质疑和议论.一些专家评论说,传统的电子计算机电路由基本的门来构成,而标准的量子计算机也是由一系列逻辑门来构成量子电路,进而实现各种运算功能.而谷歌公司研制的量子计算机根本就没有量子计算机对应的门的概念,因而还不能称为标准量子计算机.
有的专家认为,谷歌公司所说的量子芯片为50个量子比特的计算机就可称为量子计算机,因为这种计算机在执行某些运算时其运算速度能大幅超越传统电子计算机.其实,这种说法是不确切的,要从量子比特本身来理解.通常,量子比特分为物理比特和逻辑比特.但物理比特不稳定,比如现在有十余个物理比特,但很快就会消失掉.对此,不得不通过纠错码过程对十余个物理比特做冗余,最后生成一个逻辑比特,而逻辑比特有良好的容错特性.因此,量子计算机要对传统计算机有足够多的优势,有效的逻辑比特数目至少大于30才行.
谷歌公司声称研制的量子计算机要完成50个量子比特的目标,但并未说明是物理比特还是逻辑比特.若就量子位的数量而言,已经足以满足要求了；但如果是物理比特,50个物理比特显然距离标准量子计算机的要求甚远.
总的来说, 要建造成真正的量子计算机有两个基本要求：一个是量子逻辑门的精度足够高,另一个是逻辑比特的数量足够多.从这两方面要求来看,谷歌公司已研制和将完成研发的量子计算机都达不到这些要求,无法被称为标准量子计算机,只是针对特定课题的专用计算机.
现在来看我国研制量子计算机的进展情况.中国科技大学量子实验室研发的氮化镓半导体量子芯片的量子逻辑门的精度已达到90%,在纠错码的辅助下,能满足容错计算的精度要求；其逻辑比特数量已达3个,距离量子计算机30个以上的要求已在接近.由杜江峰院士带领的研究团队,已使量子逻辑门的精度更高,达到99.99%,而单比特门精度已满足容错计算的要求.
综上所述, 在这场量子计算机的角逐和较量中, 谁能成为领跑者和称雄者, 事实将会做出最好的回答.
【责任编辑】庞 云
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