2016年8月16日，我國成功發(fā)射了世界上第一顆量子衛(wèi)星。在這之前，中國科技大學(xué)的量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲(chǔ)技術(shù)，宣告了我國對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究取得了突破性進(jìn)展。而美國谷歌公司則宣稱，有望在2017年底前建成一臺(tái)完全可超越目前全球最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。可以說，量子通信和量子計(jì)算機(jī)這兩項(xiàng)量子領(lǐng)域的前沿項(xiàng)目正在“比翼齊飛”；中、美兩個(gè)在量子領(lǐng)域研究中領(lǐng)先的國家也在開展一番“較量”。

量子衛(wèi)星與量子計(jì)算機(jī)“血脈相通”

“墨子”號(hào)量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，把量子實(shí)驗(yàn)從地面搬上太空，從而構(gòu)建一個(gè)天地一體化的量子保密通信和科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。這不僅會(huì)開創(chuàng)安全通信的新時(shí)代，還將促進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。因?yàn)榱孔有l(wèi)星和量子計(jì)算機(jī)都要依靠量子傳輸這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，就像親哥倆“血脈相通”一樣。

量子衛(wèi)星之所以能保障通信安全可靠，是因?yàn)榱孔有l(wèi)星讓信息傳遞者和接收者交換令信息無法被破解的量子密鑰，而這個(gè)密鑰是利用量子的奇異特性實(shí)現(xiàn)的，它就是“量子糾纏”。

20世紀(jì)80年代初，法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩首次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“量子糾纏”現(xiàn)象的存在。這里所說的量子糾纏，是指在兩個(gè)處于“糾纏態(tài)”的微觀粒子中，無論它們相距多么遠(yuǎn)，若對(duì)其中一個(gè)的特性進(jìn)行任何修改，那么就像孫悟空和其分身“心有靈犀”一樣，都會(huì)立即在另一個(gè)粒子上出現(xiàn)反應(yīng)并做出相應(yīng)改變。利用這種特性產(chǎn)生的量子密鑰，就可以保證任何外人都無法破解通信密碼。因?yàn)榱孔用荑€一旦被截獲或被測試，其狀態(tài)就會(huì)立即發(fā)生改變。有人對(duì)此進(jìn)行了形象的比喻：如果有人嘗試在信息傳輸中攔截，那就像碰到了肥皂泡，而肥皂

泡一碰就會(huì)破滅。

那么，天地之間是如何進(jìn)行量子通信的呢？具體來說，先將量子信號(hào)從地面發(fā)射并穿透大氣層，衛(wèi)星接收到量子信號(hào)并按需要將其轉(zhuǎn)發(fā)到另一特定衛(wèi)星，即量子衛(wèi)星上；量子信號(hào)再從量子衛(wèi)星上穿入大氣層到達(dá)地球某個(gè)角落的指定接收地點(diǎn)。由于量子信號(hào)的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒有損耗，如果在技術(shù)上能實(shí)現(xiàn)糾纏光子在穿入大氣層后仍然保持其糾纏特性，那么就可在量子衛(wèi)星幫助下實(shí)現(xiàn)全球化量子通信。

“墨子”號(hào)量子衛(wèi)星通過使用信息加密技術(shù)，使其可以在相距數(shù)千千米的通信者之間分發(fā)量子密鑰。這顆衛(wèi)星開始是在北京和烏魯木齊之間分發(fā)量子密鑰，然后還計(jì)劃向奧地利發(fā)送量子密鑰。它的預(yù)定目標(biāo)是，在兩年內(nèi)利用衛(wèi)星建立一個(gè)可靠、不會(huì)被破解的通信網(wǎng)絡(luò)，并為建立全球量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

在量子衛(wèi)星未發(fā)射之前，我國多家企業(yè)已將量子密鑰分發(fā)技術(shù)投入市場，并在銀行之間或政府機(jī)構(gòu)之間建立了這類網(wǎng)絡(luò)。但是這些光纖網(wǎng)絡(luò)只能在數(shù)十千米的距離內(nèi)發(fā)揮作用，再遠(yuǎn)就不行了。因?yàn)樵诘孛鎮(zhèn)鬏斝畔r(shí)，光子通過空氣和光纖時(shí)會(huì)被分散和吸收，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)的干擾較大。有了量子衛(wèi)星后，由于光子在太空中傳播幾乎沒有損耗，因而量子衛(wèi)星開展的量子通信實(shí)驗(yàn)距離為1200千米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了陸地上300千米的最遠(yuǎn)距離。

量子計(jì)算機(jī)顯露希望曙光

就在量子衛(wèi)星發(fā)射前不久，中國科技大學(xué)的量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲(chǔ)技術(shù)。眾所周知，量子芯片可視為量子計(jì)算機(jī)的大腦，有了它，計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算和信息處理才成為可能；有了量子存儲(chǔ)技術(shù)，就能通過它實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子傳輸。因此，這一關(guān)鍵性的技術(shù)突破無疑將令性能高超的量子計(jì)算機(jī)的問世顯露出希望的曙光。

說起量子計(jì)算機(jī)，人們可能會(huì)感到很深?yuàn)W。這里需要先講講量子是什么？通俗地說，量子就是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是能量不可再分割的攜帶者。例如，光子是光能量的最小單元，也稱光的微粒，不存在半個(gè)光子。量子有兩個(gè)特性，一個(gè)是前面所說的量子糾纏，利用它就可以遠(yuǎn)距離同步傳遞不會(huì)被破解的信息；另一個(gè)是量子疊加，是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。形象地說，就像著名的“薛定諤的貓”所描述的那樣：裝在盒子里的貓，在盒子未打開時(shí)，貓可能是活的也有可能是死的。這表明，量子的狀態(tài)隨機(jī)變化，兩種狀態(tài)可疊加存在，這就是量子疊加態(tài)。

世界上大多數(shù)科技發(fā)明的問世都?xì)w因于社會(huì)發(fā)展的需要，量子計(jì)算機(jī)也不例外。20世紀(jì)80年代初，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼從科研實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到，如果要用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)，那么微觀粒子數(shù)量越多，計(jì)算量就越大，也就越不可能實(shí)現(xiàn)模擬。因此，要模擬量子力學(xué)，就必須用和它原理相同的方式。從此開始，量子力學(xué)便和計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)系在一起。此后不久，科學(xué)家就提出了量子計(jì)算機(jī)的概念。量子計(jì)算機(jī)是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律，能進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。

世界許多科學(xué)家都在全力以赴地研制量子計(jì)算機(jī)。美國IBM公司和加拿大D-Wave公司通過不同的方式各自創(chuàng)造出了功能計(jì)算機(jī)，但這些計(jì)算機(jī)無法擴(kuò)展量子比特（Qubits，即量子位），因而還不能稱為量子計(jì)算機(jī)。目前，大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)的研制還都處于實(shí)驗(yàn)階段，而谷歌公司力爭要在世界上第一個(gè)研制出量子計(jì)算機(jī)。

谷歌公司的最新研究成果表明，高性能量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)難度比此前預(yù)期的要低。例如在某些計(jì)算方面，包含50個(gè)量子位的量子芯片已經(jīng)比傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)在運(yùn)算能力方面更強(qiáng)大，這更增加了人們研制量子計(jì)算機(jī)的信心。除谷歌外，美國微軟公司、IBM公司和我國阿里巴巴公司都在進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)的相關(guān)研究，并取得了一定的成果。

本領(lǐng)超強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)

與傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)所用的量子計(jì)算是基于量子效應(yīng)的新型計(jì)算方式，其基本原理是以量子位作為信息編碼和存儲(chǔ)的基本單元，通過大量量子位的受控演化來完成計(jì)算任務(wù)。

量子計(jì)算機(jī)之所以比傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)本領(lǐng)更超強(qiáng)，主要是因?yàn)樗褂玫氖强莎B加的量子比特，即量子位。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，量子位可以同時(shí)處于0和1兩個(gè)狀態(tài)，這是由量子疊加特性決定的。與其相對(duì)比，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)中的晶體管一次只能處于0或1的狀態(tài)。因此，如果要進(jìn)行海量運(yùn)算，量子計(jì)算機(jī)就有了無與倫比的優(yōu)勢。這是因?yàn)殡娮佑?jì)算機(jī)只能按時(shí)間順序來處理數(shù)據(jù)，而量子計(jì)算機(jī)能做到超并行運(yùn)算。具體來說，量子計(jì)算機(jī)的N個(gè)量子位可以同時(shí)存儲(chǔ)2N個(gè)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量隨N呈指數(shù)增長。與此同時(shí)，量子計(jì)算機(jī)操作一次等效于電子計(jì)算機(jī)要進(jìn)行2N次操作的效果，也就是說，一次運(yùn)算完成了2N個(gè)數(shù)據(jù)的并行處理。這就是量子計(jì)算機(jī)具有超強(qiáng)本領(lǐng)的奧秘。

量子計(jì)算機(jī)一旦研制成功，無疑是一場現(xiàn)代科技領(lǐng)域的劃時(shí)代革命。這種新型超強(qiáng)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，將把傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。求一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要幾百年乃至上千年的時(shí)間來完成，而量子計(jì)算機(jī)可在以分秒計(jì)的時(shí)間內(nèi)得到結(jié)果；我國“天河二號(hào)”這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要100年才能處理的任務(wù)，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)只需0.01秒就能完成。

量子計(jì)算機(jī)的最大優(yōu)勢在于具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能模擬復(fù)雜的物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程。因此，量子計(jì)算機(jī)在太空探測、核爆炸模擬、密碼破譯、材料和藥物研制等領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢，有著廣闊的應(yīng)用前景。

“量子霸權(quán)”爭奪戰(zhàn)

如同研制智能手機(jī)、智能汽車和無人機(jī)等熱門高端智能化產(chǎn)品一樣，在“孕育”量子計(jì)算機(jī)的過程中也存在競爭和較量。在研制量子計(jì)算機(jī)所取得的成果中，來自中、美兩國的研制團(tuán)隊(duì)目前名列前茅。為了成為領(lǐng)跑者，谷歌公司宣布將在2017年底前完成量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)工作。

早在2013年，谷歌公司就對(duì)D-Wave公司研制的所謂量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了測試，以便弄清它是如何改善搜索功能和人工智能的，從而為研制量子計(jì)算機(jī)做準(zhǔn)備。2014年，谷歌公司招聘了加州大學(xué)知名物理學(xué)家約翰·馬丁內(nèi)斯，致力于研發(fā)計(jì)算機(jī)的超導(dǎo)量子位課題。2016年6月，谷歌公司發(fā)表論文介紹其研制的量子計(jì)算機(jī)模型。一個(gè)月后，谷歌公司又發(fā)表一篇論文，將其研發(fā)計(jì)劃命名為“量子霸權(quán)”，并宣示了建造世界上第一臺(tái)超高性能量子計(jì)算機(jī)的愿景。這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的量子芯片將達(dá)到50個(gè)量子比特（量子位），運(yùn)算速度超過傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)。同時(shí)，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室宣布，公司改進(jìn)研制的D-Wave2x量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度將是傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的1億倍。

谷歌公司的論文和數(shù)據(jù)公布后，引起了科技界的質(zhì)疑和議論。一些專家評(píng)論說，傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)電路由基本的門來構(gòu)成，而標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算機(jī)也是由一系列邏輯門來構(gòu)成量子電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算功能。而谷歌公司研制的量子計(jì)算機(jī)根本就沒有量子計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)的門的概念，因而還不能稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)。

有的專家認(rèn)為，谷歌公司所說的量子芯片為50個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)就可稱為量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)檫@種計(jì)算機(jī)在執(zhí)行某些運(yùn)算時(shí)其運(yùn)算速度能大幅超越傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)。其實(shí)，這種說法是不確切的，要從量子比特本身來理解。通常，量子比特分為物理比特和邏輯比特。但物理比特不穩(wěn)定，比如現(xiàn)在有十余個(gè)物理比特，但很快就會(huì)消失掉。對(duì)此，不得不通過糾錯(cuò)碼過程對(duì)十余個(gè)物理比特做冗余，最后生成一個(gè)邏輯比特，而邏輯比特有良好的容錯(cuò)特性。因此，量子計(jì)算機(jī)要對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有足夠多的優(yōu)勢，有效的邏輯比特?cái)?shù)目至少大于30才行。

谷歌公司聲稱研制的量子計(jì)算機(jī)要完成50個(gè)量子比特的目標(biāo)，但并未說明是物理比特還是邏輯比特。若就量子位的數(shù)量而言，已經(jīng)足以滿足要求了；但如果是物理比特，50個(gè)物理比特顯然距離標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)的要求甚遠(yuǎn)。

總的來說，要建造成真正的量子計(jì)算機(jī)有兩個(gè)基本要求：一個(gè)是量子邏輯門的精度足夠高，另一個(gè)是邏輯比特的數(shù)量足夠多。從這兩方面要求來看，谷歌公司已研制和將完成研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)都達(dá)不到這些要求，無法被稱為標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，只是針對(duì)特定課題的專用計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在來看我國研制量子計(jì)算機(jī)的進(jìn)展情況。中國科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的氮化鎵半導(dǎo)體量子芯片的量子邏輯門的精度已達(dá)到90%，在糾錯(cuò)碼的輔助下，能滿足容錯(cuò)計(jì)算的精度要求；其邏輯比特?cái)?shù)量已達(dá)3個(gè)，距離量子計(jì)算機(jī)30個(gè)以上的要求已在接近。由杜江峰院士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，已使量子邏輯門的精度更高，達(dá)到99.99%，而單比特門精度已滿足容錯(cuò)計(jì)算的要求。

綜上所述，在這場量子計(jì)算機(jī)的角逐和較量中，誰能成為領(lǐng)跑者和稱雄者，事實(shí)將會(huì)做出最好的回答。

崔金泰