量子計(jì)算，怎么它就這么玄？

從“悟空”催生大算力、光子跳出“霍爾舞步”，到大規(guī)模量子云算力集群、500+比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片的誕生，量子計(jì)算接連搞出“大新聞”。那么，量子計(jì)算到底有啥不一樣？

“穿著冰箱”的龐然大物

在哪里才能一睹量子計(jì)算機(jī)的真容？北京西北部的北京量子信息科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱“北京量子院”）量子極低溫實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，一眼就可看到插滿線纜的“龐然大物”，實(shí)驗(yàn)室像是賽博世界的巨型車間。

咦，“極低溫”，為什么我還不冷？傳說(shuō)中的“絕對(duì)零度”呢？

“絕對(duì)零度”就在實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)懸空的圓筒狀“冰箱”里。這臺(tái)巨大的“冰箱”，最核心位置的溫度僅比絕對(duì)零度高出一丁點(diǎn)兒（約為絕對(duì)零度以上0.01度）。其中泛著金屬光澤的鋁罐里，豎著若干根如俄羅斯套娃般嵌套的金色圓柱，一圈圓柱的中央是一盞長(zhǎng)滿無(wú)數(shù)線纜的“吊燈”，牽出的線纜透過(guò)層層疊疊的金屬層，連接底座上的量子芯片。

超導(dǎo)量子計(jì)算芯片、扮演大冰箱角色的稀釋制冷機(jī)，再加上配套的電子學(xué)設(shè)備——好了，量子計(jì)算機(jī)的“三件套”，這就算飽了眼福了。

為啥非得用這么高級(jí)的“冰箱”？原來(lái)，量子態(tài)非常脆弱，極低溫環(huán)境可以盡量降低熱噪聲，大“冰箱”還能為量子芯片隔離外界的電磁噪聲，只有這樣，量子計(jì)算才可能盡量精準(zhǔn)。

北京量子院研究員、相干（北京）科技有限公司創(chuàng)始人金貽榮指著其中一臺(tái)“龐然大物”說(shuō)，如果是處理隨機(jī)線路取樣等特定問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度比最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)要快成千上萬(wàn)倍。

我想起看過(guò)的報(bào)道，世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)求解某特定數(shù)學(xué)問(wèn)題約需200億年，而用“九章三號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)只需百萬(wàn)分之一秒，比超算快一億億倍。

量子計(jì)算威力何來(lái)

量子計(jì)算機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)擁有超能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)信息量的最小單位是比特（BIT，也就是“二進(jìn)制數(shù)”的縮寫(xiě)），量子計(jì)算也借用這個(gè)概念，不過(guò)“量子比特”可不是數(shù)，而是量子態(tài)。量子比特在同一時(shí)刻可有兩種狀態(tài)相互疊加，就好像一枚硬幣在半空中不斷旋轉(zhuǎn)，讓人無(wú)法辨清正反面孰上孰下。正是這種疊加態(tài)，讓量子計(jì)算的計(jì)算能力較傳統(tǒng)計(jì)算有了指數(shù)級(jí)的增強(qiáng)。

北京量子院研制的量子計(jì)算機(jī)

無(wú)從揣摩的量子態(tài)，使得量子計(jì)算天生適于處理密碼破譯、金融分析、天氣預(yù)報(bào)等變化莫測(cè)的計(jì)算難題。以“玄”解“玄”，量子計(jì)算將帶我們探索更多的未知，將我們視為“魔法”的事物變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

下一步，看應(yīng)用生態(tài)！

經(jīng)典計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)近80年的發(fā)展，晶體管越做越小，中間的阻隔也越來(lái)越薄，3納米芯片的阻隔僅相當(dāng)于幾十個(gè)原子成列。如此下去，芯片上可能會(huì)發(fā)生量子隧穿效應(yīng)，“0”和“1”的精準(zhǔn)分別失靈，傳統(tǒng)計(jì)算也就觸到了“天花板”。

替代方案是什么？算力升上去、能耗降下來(lái)的量子計(jì)算，為各方看好。不過(guò)，量子計(jì)算的應(yīng)用生態(tài)，建設(shè)還剛剛起步。

“在實(shí)驗(yàn)室里造出了量子計(jì)算機(jī)，接下來(lái)的緊迫任務(wù)就是怎樣讓它在更多應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)揮威力。我們的想法是，讓大算力的量子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)、上云，不必局限于本地應(yīng)用?！敝袊?guó)科學(xué)院物理研究所研究員范桁介紹由北京量子院研發(fā)的Quafu量子計(jì)算云平臺(tái)及算力集群時(shí)這樣說(shuō)。如果說(shuō)過(guò)去的量子計(jì)算機(jī)就像一款單機(jī)游戲，量子計(jì)算云平臺(tái)就相當(dāng)于“聯(lián)機(jī)對(duì)戰(zhàn)”，將不同地方的量子算力整合到一起。

而今，有了新一代架構(gòu)量子計(jì)算芯片、高密度測(cè)控線路、量子測(cè)控電子學(xué)系統(tǒng)的助力，近600個(gè)量子比特飛馳在云端，Quafu平臺(tái)的算力增長(zhǎng)可謂日新月異。

“眼下，量子計(jì)算‘+超算’‘+智算’無(wú)疑是前沿潮流，我們希望Quafu平臺(tái)能‘加’出更多的奇妙可能，讓中國(guó)量子計(jì)算的應(yīng)用生態(tài)欣欣向榮。”范桁期待中帶著篤定。

半月談?dòng)浾撸簭埪?/編輯：范鐘秀

原標(biāo)題：《以“玄”解“玄”，量子計(jì)算》