量子計算機初長成或要10年 幾大根本性問題尚未被解決

在一個棱長約為2.7米的立方形玻璃箱內，一盞外觀似乎并不驚艷的“吊燈”被懸掛在箱頂，引起觀者駐足。這盞“吊燈”是一臺量子計算機的核心部分，立方形玻璃箱由半英寸厚的硼硅酸鹽玻璃制成。

這臺量子計算機就是日前在2019年國際消費類電子展現(xiàn)場，IBM首次對外展示的全球首臺獨立量子計算機——IBM Q System One。

盡管不少業(yè)界人士質疑該計算機的可用性，甚至認為它更像是裝飾品，但IBM明確表示，IBM Q System One是量子計算商業(yè)化的重要一步。然而，在該計算機發(fā)布后不久，有媒體稱，這臺“吊燈”的算力還不如一臺普通筆記本電腦。

這樣的評價是否客觀?眾人翹首以待的、量子計算超越經(jīng)典計算機的“量子霸權時代”何時才能到來?

“大力水手”目前還是個“嬰兒”

量子計算機指的是一類遵循量子力學規(guī)律，進行高速數(shù)學和邏輯運算及量子信息處理的物理裝置。“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，它就可以被定義為量子計算機。”漁翁信息技術股份有限公司總裁郭剛告訴科技日報記者，量子計算最本質的特征為量子疊加性和量子相干性。

至于IBM Q System One的特征，由于IBM公司并未公開與之有關的科學參數(shù)，外界尚無法分析其原理和性能。“這臺計算機是怎么被做出來的?規(guī)模和性能如何?我們無法從新聞中得到相關信息，甚至無法判斷它是否達到了量子計算機的基本指標。”安徽問天量子科技股份有限公司首席科學家、中國科學技術大學中國科學院量子信息重點實驗室教授韓正甫認為，IBM Q System One頂多是一個模型機，將其用于解決實際問題為時尚早。

目前，在量子計算機領域處于領先地位的機構有谷歌公司、IBM公司、英特爾公司、荷蘭代爾夫特理工大學等。“領頭羊”谷歌公司針對量子計算機目前存在的問題，提供了一些解決方案，但依然沒做出真正的量子計算機。韓正甫告訴科技日報記者，該公司于2018年初推出的72個量子位處理器，還不能算模型機，更不能被用于解決實際問題。

對于“量子計算機的算力不如筆記本電腦”的說法，韓正甫表示，模型機就像處在嬰兒期或胎兒期的量子計算機，與經(jīng)典計算機沒有可比性。“當未來的‘大力水手’還是個‘嬰兒’，拿他跟一個正值壯年的男子相比，沒有意義。同樣，真正意義上完整的量子計算機還未出現(xiàn)，比較其與經(jīng)典計算機的算力高低，沒有價值。”韓正甫說。

毫無疑問，當下正值壯年的經(jīng)典計算機比幼兒期的量子計算機更實用。郭剛也表示，相對于經(jīng)典計算機，量子計算機的算力目前尚難做到領先。

早在上世紀，電子計算機剛剛問世時，有人曾拿算盤和最早的電子計算機比計算速度。結果，當時的電子計算機確實沒有算盤算得快。但經(jīng)過若干年的發(fā)展，電子計算機的算力早已今非昔比。韓正甫強調，經(jīng)典計算機和量子計算機之間要比較的是原理上的先進性，而非功能上的優(yōu)劣，否則是不科學的。

幾大根本性問題尚未被解決

實際上，量子計算的概念在20世紀80年代就已被提出，其基礎理論也在上世紀90年代和本世紀初得到突破。但真正的量子計算機遲遲沒有問世。

“因為幾大根本性問題沒有得到解決。”韓正甫告訴科技日報記者，首先是目前的量子計算機芯片的保真度不夠，出錯率還比較高，沒有達到理論上的要求。

“即便是量子計算機，我們仍然需要它能給出準確的計算結構。即便它的出錯率低于萬分之5，我們也不敢用它解決問題，因為我們不敢完全信任它的結論。”韓正甫表示。

量子相干性是實現(xiàn)量子計算的根本，如果量子沒有相干性，計算只能是經(jīng)典的。不巧的是，量子相干性會迅速地被環(huán)境破壞，因此，所有的量子計算必須在退相干效應發(fā)生并擾亂量子比特前完成。這是量子計算要跨越的另一個門檻，物理學家們正在努力，希望量子相干性維持的時間越長越好。

橫亙在量子計算機面前的另一道“高墻”是它的運行條件相當苛刻。比如，量子比特必須在接近絕對零度的環(huán)境下工作，這需要一些特殊且龐大的設備來維持。

此外，韓正甫表示，量子計算機的驅動電路，以及算法、軟件等方面也需要不斷完善，目前尚不具備應用條件。

以算法為例，量子計算機在工作時需要算法的配合，但現(xiàn)有的算法如秀爾(Shor)算法能解決哪些問題、不能解決哪些問題，還不十分清楚。暫時，只能在理論邏輯上預計其可用與否。

郭剛表示，如果研究人員對算法的認知達不到一定的水平，就很難將量子計算的潛力發(fā)揮出來，也就更難以將其應用到現(xiàn)實的業(yè)務系統(tǒng)中，進而解決實際問題。

“這好比給嬰兒設計成長路徑?？梢砸罁?jù)現(xiàn)有表現(xiàn)考慮讓其成為科學家還是作家，但適合與否還要等孩子長大后才知道。”韓正甫說，給量子計算機設計軟件也是如此，只能等真正的量子計算機問世后，才能去檢驗并調整之前的設計。

未來應用會從特定領域開始

那么，真正的量子計算機該是怎樣的?

“計算能力強大，擁有某些必要的宏觀功能。在解決特定問題時，能顯示出比現(xiàn)有電子計算機更大的優(yōu)勢。雖然未必能解決極端復雜的問題，對于復雜程度略低的問題，至少能顯示其優(yōu)勢所在。”韓正甫說。

“我們說量子計算機計算能力強大，目前還只是從理論上給出的預測。”韓正甫表示，在計算機領域，量子計算機能跑出怎樣的成績，還不得而知。

韓正甫認為，5年之內，量子計算機的原型機有望問世。10年之內，量子計算機的初級版也許能出來，用于解決一些現(xiàn)在經(jīng)典計算機無法解決的問題。“假如關于IBM Q System One的消息屬實，它就是原型機，但不排除這則消息可能存在水分。” 韓正甫表示。

量子計算機走向市場，會被應用于哪些領域?

首先可能會被用來分析密碼。以最常用的公鑰密碼算法RSA為例，其機理是利用短時間內因數(shù)難以被分解的特性，而在理論上基于量子計算機的算法可以輕松分解因數(shù)。

此外，在新材料設計、天氣預報、地震預報等復雜問題的計算上，量子計算機也被寄予厚望。“以天氣預報為例，只要根據(jù)物理學基本定律給地球上所有的分子都寫一個方程式，量子計算機或許能計算出某一個地方的風霜雨雪。”韓正甫說。

量子計算機能描繪出數(shù)以萬億計的分子組成，并快速識別其中的有效組合，降低藥物研發(fā)成本和周期，還能協(xié)調飛機航線及地面交通。

郭剛認為，量子計算機可能先被應用于軍事、航天、大氣等領域。在解決特定領域的難點問題后，再通過歸納分析、找出規(guī)律，驗證其有效性，在此基礎上提升效率，最后再被推廣到其他民用領域。

“對人類而言，量子計算機的研發(fā)進展極其重要，但對其進展的宣傳似乎有些過度。”韓正甫認為這不太合適。郭剛也坦言，量子計算機目前依舊停留在實驗室階段，雖然基礎理論已基本完善，可離產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。(代小佩)

關鍵詞：