國內(nèi)量子計算機發(fā)展到什么水平？量子計算機發(fā)展前景及面臨的挑戰(zhàn)

• 2021年11月27日 WuYaNan來源：互聯(lián)網(wǎng) 1295 85
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量子計算機的巨大潛力，還與量子力學中的另一個著名概念“量子糾纏”有關(guān)，即各個量子比特可通過量子糾纏聯(lián)系在一起。量子比特的概念雖然抽象，但量子計算機并非虛幻。建造它們的理論基礎(chǔ)已搭建好，但是要實現(xiàn)它們，還要面臨一項艱巨的挑戰(zhàn)。

量子計算機發(fā)展趨勢如何？目前，國內(nèi)量子計算機發(fā)展到什么水平？量子計算機(quantum computer)是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)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。自1981年費曼首次提出量子計算機的概念之后，經(jīng)過數(shù)十年的努力，谷歌、IBM以及微軟等科技巨頭和初創(chuàng)企業(yè)正在將其變?yōu)楝F(xiàn)實

量子計算機是什么?量子計算機是基于量子力學原理構(gòu)建的計算機。量子態(tài)疊加原理使得量子計算機 每個量子比特(qubit)能夠同時表示二進制中的 0 和 1，從而相較經(jīng)典計算機算力發(fā)生爆發(fā)式增長，形成“量子優(yōu)越性”。科學家預(yù)測，經(jīng)典計算機未來仍將承擔收發(fā)郵件、視頻音樂、網(wǎng)絡(luò)游戲等功能，而量子計算機則將用于解決大型分子模擬、尋找大數(shù)質(zhì)因數(shù)等經(jīng)典計算機無法模擬的領(lǐng)域，并在 AI 計算領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)算力進行提升。

量子計算機有什么用?超導量子比特是以量子力學為理論基礎(chǔ)，約瑟夫森結(jié)(Josephson junction)為基本載體的量子兩能級系統(tǒng)。超導量子比特具有可與傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)兼容、可控性、低損耗以及可擴展性等方面的優(yōu)勢，所以這是一種很有前景的實現(xiàn)量子計算機的方案之一。對比經(jīng)典比特之間的邏輯運算和計算處理，我們根據(jù)實現(xiàn)量子計算機的物理載體必須具備第三個條件可知，要實現(xiàn)可控的量子比特之間的相干性以及退相干時間，這些都是實現(xiàn)量子計算機的一個必要條件。

量子計算機發(fā)展前景及面臨的挑戰(zhàn)

在解決實際問題的過程中，CPU 采用“串行”計算，即將一個問題的若干部分按照順序依次進行運算;GPU 采用“并行”計算，即將一個問題拆成若干個小問題后，同時對每個小問題的一部分進行運算;QPU 則利用量子疊加性快速遍歷問題的各種可能性并找到正確答案。形象地說，CPU 算力隨比特數(shù) n 的增長呈線性 n增長，GPU 算力隨比特數(shù) n 的增長呈平方次 n×n 增長，QPU 算力隨比特數(shù) n 的增長呈冪指數(shù) 2^n增長。

量子計算機還處在早期發(fā)展的階段，倘若類比經(jīng)典計算機，今天的量子計算機還處在經(jīng)典計算機的電子管時代，就連最底層的物理載體還沒有完全形成。 目前主流的技術(shù)路徑有超導、半導、離子阱、光學以及量子拓撲這五個方向。前四種路徑均已制作出物理原型機，但量子拓撲這一微軟重注的方向尚無物理層面的實現(xiàn)。

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》對攻克掌握核心技術(shù)方面作了專門部署。結(jié)合重大項目，對圍繞人工智能方面的計劃項目部署進行了整體安排，形成“1+N”的人工智能項目群，包括大數(shù)據(jù)、云計算、智能制造、機器人、量子計算、量子通信、腦科學等等。新一代人工智能重大科技項目，將和這些已經(jīng)安排的項目任務(wù)，共同形成了國家人工智能研發(fā)的總體布局。

2018年2月中科院/中科大團隊發(fā)布量子計算云平臺最新成果-中科院聯(lián)合阿里云打造的11量子比特超導量子計算的云平臺，這是繼IBM后全球第二家向公眾提供10量子比特以上超導量子計算云服務(wù)的系統(tǒng)。平臺已成功上線32比特量子虛擬機，并已經(jīng)實現(xiàn)了64量子比特的量子電路模擬打破IBMQ的56位仿真記錄。

量子計算機發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)

量子計算機的巨大潛力，還與量子力學中的另一個著名概念“量子糾纏”有關(guān)，即各個量子比特可通過量子糾纏聯(lián)系在一起。量子比特的概念雖然抽象，但量子計算機并非虛幻。建造它們的理論基礎(chǔ)已搭建好，但是要實現(xiàn)它們，還要面臨一項艱巨的挑戰(zhàn)。量子比特本質(zhì)上是處于疊加態(tài)的亞原子粒子，如電子、被束縛的離子或光子。量子比特周圍環(huán)境的細微變化，比如振動、電場、磁場、宇宙輻射等，都可能向量子比特輸入能量，進而使疊加態(tài)坍縮，使量子比特失效。因此，量子比特需要密封在極冷、真空環(huán)境中以最大程度地避免任何干擾。這就是量子計算機的搭建面臨的巨大挑戰(zhàn)。

中國科學院院士潘建偉表示：隨著大數(shù)據(jù)時代到來，全球數(shù)據(jù)量每兩年會翻一番。同時，傳統(tǒng)的發(fā)展模式受到嚴重的制約，摩爾定律正在逐漸逼近極限，而超級計算機又能耗巨大。利用量子疊加原理，可以構(gòu)建量子計算機，其計算能力隨著可操縱的量子比特數(shù)目呈指數(shù)增長量子力量在經(jīng)過百余年的發(fā)展，已經(jīng)為解決這些問題做好了準備。

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