第四次科技革命：量子計算機

荘志剛

自20世紀40年代，電子計算機步入了飛速發展的快車道。從“電子管”到“晶體管”，從“集成電路”到“量子位”，計算機的運行速度由“高速”向“超高速”演變，算法由“簡單運算”進化為“精準計算”，安全防護由“加密處理”升級至“深度加密”，處在由“量變”到“質變”的關鍵期。不少科學家預言，把量子力學應用于計算機領域將成為與工業革命中的“蒸汽機”、電氣時代中的“電機和內燃機”及信息紀元中的“經典計算機”相提并論的顛覆性技術，或將引發人類歷史上的第四次劃時代的科技變革！

量子力學嵌入電子計算機

在2018年國際消費電子展上，英特爾公司正式展示其研發的49量子比特的超導量子計算機測試芯片“Tangle Lake”，相比傳統計算芯片，其計算單元數量大幅提升。在之后舉行的美國物理學年會上，在谷歌量子人工智能實驗室從事科研的科學家朱利安·凱莉（Julian Kelly）表示，谷歌團隊正在測試一臺72量子比特的通用量子計算機。據稱，此臺計算機將實現與9量子比特的量子計算機持平的百分之一的低錯誤率！既具備超算能力，又兼具正確率，這引發了全球熱議，甚至有科學家戲稱“量子計算機即將走進尋常人家”！

回顧量子計算機的發展歷程，1981年是一個必須說的年份。是年，美國著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）首次提出量子計算機的概念，指出通過應用量子力學效應，能大幅提高計算機的運算速度。經典計算機需幾十億年才能破譯的密碼，量子計算機在20分鐘內即可破解。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）教授首次應用量子算法進行數的質因子分解，證明量子計算機能完成對數運算，且速度遠勝經典計算機，這是在量子計算機理論提出十多年后的第一次成功實驗。2007年2月，加拿大D-Wave系統公司宣布研制成功16個量子比特的超導量子計算機，但其作用僅限于解決某些最優化問題，與學界公認的能進行超算活動的量子計算機有較大差距。至此，量子計算機的研發陷入瓶頸。之后，經過數年的沉浮期，量子計算機的研發在21世紀的第二個十年呈現爆發式的發展態勢，逐步由“實驗室階段”向“工程應用階段”邁進。

在學界普遍的認知中，量子比特數值越高，對應的量子計算機的估算能力就越強大。隨著學界對量子計算機研發的愈發重視，微軟、谷歌、英特爾、IBM、阿里巴巴等科技巨頭企業紛紛進軍量子計算機科研領域，在搶奪量子霸權的高地上進行著激烈的PK（詳見圖表）。

那么為什么學界和科技企業均會加碼量子計算機，紛紛搶奪量子蛋糕呢？答案或許就在于量子計算機的“快”！

量子計算機的“快”

谷歌量子計算專家約翰·馬丁尼（John Martinis）在2017年11月接受《自然》雜志采訪中表示，“一臺50個量子比特的量子計算機的計算能力和運算速度將超過世界上任何計算機，能解決經典計算機所解決不了的問題”。目前，世界上超算能力最強的經典計算機是“神威·太湖之光”超級計算機，其峰值運算性能為12.5億億次/秒，持續性能為9.3億億次/秒。而一臺50個量子比特的量子計算機，其持續性能為1125億億次/秒，超算能力瞬間秒殺前者。

另一方面，量子計算機的超算又造成其對海量信息的分析功能異常強大，能同時進行的運算更多。比如，量子計算機可以從龐大的排列組合中尋找最佳的正確答案。日本電報電話公司物理性科學基礎研究所研發的超高性能新型量子計算機，能在按關系親疏分組的2000人的測試中，以千分之五秒的速度得出正確答案，其速度約為目前最快的大型計算機的100倍。又比如，隨著人臉識別在公共安全領域的深度應用，如何處理人臉識別數據成為一大難題。量子計算機可以瞬間處理監控數據庫中60億人次的臉部圖片，并實時辨別出一個人的身份信息。在擁有如此強大能力的背后，其秘訣在于“量子比特”。

何為量子比特

解釋量子比特，要從經典計算機的存儲單位“比特”說起。我們普遍使用的經典計算機的存儲單位是“比特”（Bit），應用的是二進制編碼。因此，比特值要么是0，要么是1。其運算能力受限的根源就在于二進制編碼。然而，量子計算機的運行規則就不同了。其最小的存儲信息單位是“量子比特”。一個量子比特可以表示0，也可以表示1，更可以表示0和1的疊加。這意味著量子比特可處在0和1兩種狀態按照任意比例的疊加，可進行同步運算，即“量子疊加”。比如，一個放置于磁場中的原子，處于陀螺旋轉狀態。它的旋轉軸既可以向上指，也可以向下指，還能向左、向右、向前、向后指。這好比分布在單位球表面上的任意一點的量子比特，其包含的信息量遠超過只能向前或向后指的經典比特。除此以外，兩個量子比特還可以共享量子態。分處兩地的兩個量子比特能產生共享，在量子疊加的基礎上創造出更強的疊加效應，即“量子糾纏”。

這就是量子計算機超強信息處理能力的源泉。如同一個人面前有數十條路，只有一條路可以通往目的地。經典計算機會一條又一條路進行逐個試錯，耗時又費力。但量子計算機卻可以如同孫悟空似的變出無數個跟自己一模一樣的猴子猴孫。盡管也是每條路都嘗試，但卻是“同時行走、平行估算”。這相當于一臺經典計算機變成了無數臺經典計算機，效率并非線性增長，而是指數增長！

重構世界的量子計算機

通過量子疊加和量子糾纏進行數據運算，量子計算機借助著先天的“快”，或將重新定義程序和算法，在加密通信、藥物設計、交通治理、天氣預測、人工智能、太空探索等領域有廣闊的應用前景，顛覆了現今的普遍認知。

模擬藥物成分碰撞，更高效地研發藥物

開發一種新藥是復雜的過程。藥劑學家們需開展無數不同分子組合方式的試驗，從而找到有效治愈某種疾病的藥物特性。此過程可能持續數年，耗費大量的人力物力財力。但在后期實驗時，仍然會有不少組合失敗。

與當前所用方式相比，量子計算機為人類基因分析排序的速度也更快，能在短期內繪制數以萬億計的分子組合模式，并迅速確定最有可能生效的組合。這將極大地節省藥物的研發成本，為個性化配藥和醫療保健方案提供依據。比如，人類基因組中編碼的蛋白質有2萬個。借助量子計算機，能快速分析特定藥物分子與特定蛋白質的相互作用，模擬藥物在人體內的點對點化學反應，建立醫學模擬的新模型，大幅降低新藥品的試錯率。同理，在材料和微納制造、化學用品合成等方面也能適用。

規劃最優出行路線，解決交通擁堵

從交通綜合治理的角度而言，量子計算能迅速對復雜的交通狀況進行分析研判，調度綜合交通系統，最大限度避免道路擁堵。結合目前通信衛星采集的大量照片和視頻資料，量子計算機能夠以比經典計算機或人腦快得多的速度篩選海量數據，向我們提供哪些數據是有分析價值的，哪些是可以忽略的。這就大大地簡化了空中和地面交通控制的工作量，提速了數據分析的質效。

從個人出行選擇的角度而言，量子計算機能為個人出行制定個性化出行方案。若你計劃旅行，期間在10個不同的地點停留，經典計算機需單獨計算所有可能路線的長度，再篩選出最佳路線。而量子計算機能同時計算所有路線的長度，以更快的速度篩選出最佳路線。

即時全面的數據分析，更高精準度的天氣預測

量子計算機初創企業QxBranch的董事會成員雷伊·約翰遜（Ray Johnson）認為“即便通過最尖端的儀器分析溫度、壓強等天氣指標，也會出現不確定性，造成了氣象模擬的不精準”。但量子計算機卻能一次分析當天所有的天氣指數，為氣象預測師提供更精準的應用模型，精確顯示何時何地將出現惡劣天氣。一旦我們能提前預知颶風、暴雨等自然災害天氣，就將有更多的時間提前做好準備，從而拯救更多的生命！谷歌工程主管哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）亦指出“量子計算機對天氣預測的意義在于讓我們深入了解更多有關氣候如何變化的趨勢，更深入地分析人類與自然環境的相互作用”。

輕松破譯RSA算法，更安全的加密通信

作為現在常用的加密算法，RSA算法在密碼防護方面具有重要作用。若用400位數的整數來做一個RSA密鑰，依托現在最強的經典計算機需60萬年才能完全破譯。但一臺有相當存儲功能的量子計算機，三個小時便能破譯，且三個小時是最保守的估計！滑鐵盧大學量子計算研究所共同創立人米歇爾·莫斯卡曾警告：“量子計算機的出現，將令現行公鑰密碼工具，有七分之一的可能到2026年就會崩潰，2031年這一可能性將躍升至百分之五十。”

破譯和加密就如同一枚硬幣的兩面，量子計算機在加密方面也有巨大的前景。1984年，基于量子力學測量原理的“量子密鑰分配”BB84協議被正式提出。歷經數十年的實驗室研發，以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術已逐漸走向實用化。其核心理論是允許某人發送信息給其他人，但只有使用量子密匙解密后才能閱讀信息。若第三方攔截密匙，信息會變得毫無用處，也沒人能夠再讀取它。因此，信息收發者通過量子頻道設定密鑰，基于測不準原理，任何覬覦信息的竊聽者都會破壞數據并使得收發雙方發現，這就保證了沒有人能在不被當事人發現的情況下竊取信息，確保了信息的平衡安全。比如，我國天宮二號上載荷的“量子密鑰分配專項”通過天上發射一個個單光子并在地面接收，生成“天機不可泄露”的量子密鑰。又比如，世界第一條量子保密通信主干線路“京滬干線”，也運用了量子密鑰分配技術，旨在提高我國在軍事國防、銀行、金融系統的信息安全。

更高效地模擬大腦機制，AI不再遙遠

盡管經典計算機對于目前人工智能的發展多有裨益，在一定程度上促進了人工智能技術與電子計算機的融合，但經典計算機在情感、創造、聯想等人腦深層次功能的開發方面仍然表現得捉襟見肘，制約了人工智能技術的深度發展。學界對人工智能核心資源的普遍認識是運算能力。二進制編碼和摩爾定律決定了經典計算機的運算能力已經遭遇了瓶頸。而量子計算機的量子疊加和量子糾纏效應足以模擬大腦的復雜運作機制，人工智能賴以發展的核心資源得以迎刃而解，人工智能就有可能突破聯想力、創造力、思考力和情感力的掣肘。比如，自我糾錯功能。在量子計算機中，程序員可以憑借其超算能力，建立自我修改出現亂碼的程序代碼，形成機器的自我糾錯學習。這就類似于Facebook新聞流會根據你的“點贊”而進行相應變化。只不過，上述運行程序更加復雜而已。顯然，量子計算機的機器學習可輔助人類更快、更高效、更準確地處理更多的事情。或許，某一天，量子計算機功能的持續改善真會促使半自動車輛、無人駕駛和其他更先進的人工智能的誕生。

加速太空探索，尋找第二個地球

目前，人類對太空探索最廣泛使用的專業工具是“開普勒太空望遠鏡”。利用開普勒太空望遠鏡，天文學家已經在太陽系外發現近2000顆系外行星。開普勒的任務還包括盯緊這些行星，等待它們從宿主恒星前面通過等。天文學家可以根據系外行星投射下的陰影，分析和預測這些行星運行軌道、大氣狀況、是否有生命生存、是否有類地球現象……

量子計算機對于加速太空探索同樣具有重要意義！從開普勒太空望遠鏡觀察到的海量數據信息中，量子計算機可以快速確認哪些行星最有可能適合生命生存，迅速識別存在的生命體，探索2000顆系外行星以外更廣袤的太空……顯然，已經有國家或者企業意識到了這種可能性。比如，美國國家航空航天局（NASA）指令下屬的非營利組織大學太空研究聯盟開展一項計劃，由谷歌和NASA共同自主研發一臺和D-Wave同類型的量子計算機，用以探索宇宙奧秘。2018年3月，谷歌推出了超導量子處理器Bristlecone。據谷歌介紹，這個新的量子計算機芯片有72個量子位。當它達到300個量子位時，預計可以執行比已知宇宙中的原子還要多的超算。也許，在不久的某一天，宇宙中的第二個地球將被量子計算機鎖定。

重塑世界任重而道遠

但不可否認的是，目前量子比特的實現方式仍然存在不少缺陷和亟待改進的地方。基于光子、超導環、離子阱、半導體量子結構等不同物理載體實現的量子計算機亦各有優劣。比如，超導環容易控制，但相干時間卻極短；又比如，光子雖然相干時間較長，但卻難以觀測和控制；再比如，離子阱盡管相干時間較長且易于控制，可是由于需要頻繁的激光操作，因此效率并不高。正如量子信息界權威人士查爾斯·本內特（Charles Bennett）教授所言，“現在的量子計算機或許只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是五年，十年，甚至是更久以后”。

值得注意的是，當前的網絡信息技術發展呈現的是信息數據采集方式多樣化，比如監控、語音識別、物聯網、軌跡定位，而缺乏快速準確處理海量信息數據的載體，經典計算機顯然無法滿足此種需求。因此，可以預見量子計算的黃金時代已經到來，它將為運算帶來“指數級加速、超低的錯誤率、更高效地得出答案”的美好前景，讓我們拭目以待！

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.com