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量子计算机初长成或要10年

2019-01-31 09:35来源:科技日报

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  在一个棱长约为2.7米的立方形玻璃箱内,一盏外观似乎并不惊艳的“吊灯”被悬挂在箱顶,引起观者驻足。这盏“吊灯”是一台量子计算机的核心部分,立方形玻璃箱由半英寸厚的硼硅酸盐玻璃制成。

  这台量子计算机就是日前在2019年国际消费类电子展现场,IBM首次对外展示的全球首台独立量子计算机——IBM Q System One。

  尽管不少业界人士质疑该计算机的可用性,甚至认为它更像是装饰品,但IBM明确表示,IBM Q System One是量子计算商业化的重要一步。然而,在该计算机发布后不久,有媒体称,这台“吊灯”的算力还不如一台普通笔记本电脑。

  这样的评价是否客观?众人翘首以待的、量子计算超越经典计算机的“量子霸权时代”何时才能到来?

  “大力水手”目前还是个“婴儿”

  量子计算机指的是一类遵循量子力学规律,进行高速数学和逻辑运算及量子信息处理的物理装置。“当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就可以被定义为量子计算机。”渔翁信息技术股份有限公司总裁郭刚告诉科技日报记者,量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。

  至于IBM Q System One的特征,由于IBM公司并未公开与之有关的科学参数,外界尚无法分析其原理和性能。“这台计算机是怎么被做出来的?规模和性能如何?我们无法从新闻中得到相关信息,甚至无法判断它是否达到了量子计算机的基本指标。”安徽问天量子科技股份有限公司首席科学家、中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室教授韩正甫认为,IBM Q System One顶多是一个模型机,将其用于解决实际问题为时尚早。

  目前,在量子计算机领域处于领先地位的机构有谷歌公司、IBM公司、英特尔公司、荷兰代尔夫特理工大学等。“领头羊”谷歌公司针对量子计算机目前存在的问题,提供了一些解决方案,但依然没做出真正的量子计算机。韩正甫告诉科技日报记者,该公司于2018年初推出的72个量子位处理器,还不能算模型机,更不能被用于解决实际问题。

  对于“量子计算机的算力不如笔记本电脑”的说法,韩正甫表示,模型机就像处在婴儿期或胎儿期的量子计算机,与经典计算机没有可比性。“当未来的‘大力水手’还是个‘婴儿’,拿他跟一个正值壮年的男子相比,没有意义。同样,真正意义上完整的量子计算机还未出现,比较其与经典计算机的算力高低,没有价值。”韩正甫说。

  毫无疑问,当下正值壮年的经典计算机比幼儿期的量子计算机更实用。郭刚也表示,相对于经典计算机,量子计算机的算力目前尚难做到领先。

  早在上世纪,电子计算机刚刚问世时,有人曾拿算盘和最早的电子计算机比计算速度。结果,当时的电子计算机确实没有算盘算得快。但经过若干年的发展,电子计算机的算力早已今非昔比。韩正甫强调,经典计算机和量子计算机之间要比较的是原理上的先进性,而非功能上的优劣,否则是不科学的。

  几大根本性问题尚未被解决

  实际上,量子计算的概念在20世纪80年代就已被提出,其基础理论也在上世纪90年代和本世纪初得到突破。但真正的量子计算机迟迟没有问世。

  “因为几大根本性问题没有得到解决。”韩正甫告诉科技日报记者,首先是目前的量子计算机芯片的保真度不够,出错率还比较高,没有达到理论上的要求。

  “即便是量子计算机,我们仍然需要它能给出准确的计算结构。即便它的出错率低于万分之5,我们也不敢用它解决问题,因为我们不敢完全信任它的结论。”韩正甫表示。

  量子相干性是实现量子计算的根本,如果量子没有相干性,计算只能是经典的。不巧的是,量子相干性会迅速地被环境破坏,因此,所有的量子计算必须在退相干效应发生并扰乱量子比特前完成。这是量子计算要跨越的另一个门槛,物理学家们正在努力,希望量子相干性维持的时间越长越好。

  横亘在量子计算机面前的另一道“高墙”是它的运行条件相当苛刻。比如,量子比特必须在接近绝对零度的环境下工作,这需要一些特殊且庞大的设备来维持。

  此外,韩正甫表示,量子计算机的驱动电路,以及算法、软件等方面也需要不断完善,目前尚不具备应用条件。

  以算法为例,量子计算机在工作时需要算法的配合,但现有的算法如秀尔(Shor)算法能解决哪些问题、不能解决哪些问题,还不十分清楚。暂时,只能在理论逻辑上预计其可用与否。

  郭刚表示,如果研究人员对算法的认知达不到一定的水平,就很难将量子计算的潜力发挥出来,也就更难以将其应用到现实的业务系统中,进而解决实际问题。

  “这好比给婴儿设计成长路径。可以依据现有表现考虑让其成为科学家还是作家,但适合与否还要等孩子长大后才知道。”韩正甫说,给量子计算机设计软件也是如此,只能等真正的量子计算机问世后,才能去检验并调整之前的设计。

  未来应用会从特定领域开始

  那么,真正的量子计算机该是怎样的?

  “计算能力强大,拥有某些必要的宏观功能。在解决特定问题时,能显示出比现有电子计算机更大的优势。虽然未必能解决极端复杂的问题,对于复杂程度略低的问题,至少能显示其优势所在。”韩正甫说。

  “我们说量子计算机计算能力强大,目前还只是从理论上给出的预测。”韩正甫表示,在计算机领域,量子计算机能跑出怎样的成绩,还不得而知。

  韩正甫认为,5年之内,量子计算机的原型机有望问世。10年之内,量子计算机的初级版也许能出来,用于解决一些现在经典计算机无法解决的问题。“假如关于IBM Q System One的消息属实,它就是原型机,但不排除这则消息可能存在水分。” 韩正甫表示。

  量子计算机走向市场,会被应用于哪些领域?

  首先可能会被用来分析密码。以最常用的公钥密码算法RSA为例,其机理是利用短时间内因数难以被分解的特性,而在理论上基于量子计算机的算法可以轻松分解因数。

  此外,在新材料设计、天气预报、地震预报等复杂问题的计算上,量子计算机也被寄予厚望。“以天气预报为例,只要根据物理学基本定律给地球上所有的分子都写一个方程式,量子计算机或许能计算出某一个地方的风霜雨雪。”韩正甫说。

  量子计算机能描绘出数以万亿计的分子组成,并快速识别其中的有效组合,降低药物研发成本和周期,还能协调飞机航线及地面交通。

  郭刚认为,量子计算机可能先被应用于军事、航天、大气等领域。在解决特定领域的难点问题后,再通过归纳分析、找出规律,验证其有效性,在此基础上提升效率,最后再被推广到其他民用领域。

  “对人类而言,量子计算机的研发进展极其重要,但对其进展的宣传似乎有些过度。”韩正甫认为这不太合适。郭刚也坦言,量子计算机目前依旧停留在实验室阶段,虽然基础理论已基本完善,可离产业化还有很长的路要走。(记者 代小佩)

[责编:毕孝斌]

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