[前沿] 郭光灿院士:中国量子计算机发展明显落后美国 但仍有机会

  文章来源:中国科普博览


  科技部973项目“量子通信和量子信息技术”的首席科学家郭光灿院士日前表示,中国的量子计算机发展,明显落后美国,软件、材料几乎没有人做。“十三五”重大研究计划,量子计算机应当“三驾马车”一起发展,硬件、软件、材料三个都要布局。


  在谈到实际可用的量子计算机究竟什么时候能做出来时,郭光灿称,中国和欧洲估计需要15年,美国认为会更快,美国目前的发展确实也更快。尽管落后,毕竟量子计算机尚未研制成功,我们仍有机会,只是时间已越来越紧迫。


  郭光灿院士是在“纪念HPC@CAS20周年学术研讨会”上的报告中作出以上表述的。29日,中国科普博览将报告主要内容编辑整理成文,并经郭光灿院士审阅。观察者网转载全文如下:


  一、“杞人忧天”的物理学家们与量子计算机的诞生


  量子计算机的诞生,和著名的摩尔定律有关,还和“杞人忧天”的物理学家们有关。


  众所周知,摩尔定律的技术基础是不断提高电子芯片的集成度(单位芯片的晶体管数)。集成度不断提高,速度就不断加快,我们的手机、电脑就能不断更新换代。



  图 1 摩尔定律


  在20世纪80年代,摩尔定律很贴切地反映了信息技术行业发展。但“杞人忧天”的物理学家们,却提出了一个“大煞风景”的问题:


  摩尔定律有没有终结的时候?


  之所以提出这个问题,是因为摩尔定律的技术基础,天然地受到两个主要物理限制。


  一是巨大的能耗,芯片有被烧坏的危险。


  芯片发热主要是因为计算机门操作时,其中不可逆门操作会丢失比特。物理学家计算出每丢失一个比特所产生的热量,操作速度越快,单位时间内产生的热量就越多,计算机温度必然迅速上升,必须消耗大量能量来散热,否则芯片将被烧坏。


  二是为了提高集成度,晶体管越做越小,当小到只有一个电子时,量子效应就会出现。电子将不再受欧姆定律管辖,由于它有隧道效应,本来无法穿过的壁垒也穿过去了,所以量子效应会阻碍信息技术继续按照摩尔定律发展。


  这两个限制就是物理学家们预言摩尔定律会终结的理由所在。


  [隧道效应:由微观粒子波动性所确定的量子效应,又称势垒贯穿。本质上是量子跃迁,粒子迅速穿越势垒。在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;而对于微观粒子,量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒,实际也正是如此,这种现象称为隧道效应。]


  虽然这个预言在当时没有任何影响力,但“杞人忧天”的物理学家们并不“死心”,继续研究,提出了第二个问题:


  如果摩尔定律终结,在后摩尔时代,提高运算速度的途径是什么?


  这就导致了量子计算概念的诞生。


  量子计算所遵从的薛定谔方程是可逆的,不会出现非可逆操作,所以耗能很小;而量子效应正是提高量子计算并行运算能力的物理基础。


  甲之砒霜,乙之蜜糖。对于电子计算机来说是障碍的量子效应,对于量子计算机来说,反而成为了资源。


  量子计算的概念最早是1982年由美国物理学家费曼提出的。1985年,英国物理学家又提出了“量子图灵机”的概念,之后许多物理学家将“量子图灵机”等效为量子的电子线路模型,并开始付诸实践。


  但当年这些概念的提出都没有动摇摩尔定律在信息技术领域的地位,因为在相当长时间内摩尔定律依然在支撑着电子计算机的运算速度的飞速提高。


  直到今年,美国政府宣布,摩尔定律终结了。微电子未来的发展方向是低能耗、专用这两个方向,而不再是追求速度。


  从这个例子,人们再次看到,基础研究可能在当时看不到有什么实际价值,但未来却会发挥出巨大作用。


  二、量子计算机虽然好,研制起来却非常难


  量子计算机和电子计算机一样,其功用在于计算具体数学问题。



  图 2 量子计算机工作原理


  所不同的是,电子计算机所用的电子存储器,在某个时间只能存一个数据,它是确定的,操作一次就把一个比特(bit,存储器最小单元)变成另一个比特,实行串行运算模式;而量子计算机利用量子性质,一个量子比特可以同时存储两个数值,N个量子比特可以同时存储2的N次方数据,操作一次会将这个2的N次方数据变成另外一个2的N次方数据,以此类推,运行模式为一个CPU的并行运算模式,运行操作能力指数上升,这是量子计算机来自量子性的优点。量子计算本来就是并行运算,所以说量子计算机天然就是“超级计算机”。


  要想研制量子计算机,除了要研制芯片、控制系统、测量装置等硬件外,还需要研制与之相关的软件,包括编程、算法、量子计算机的体系结构等。


  一台量子计算机运行时,数据输入后,被编制成量子体系的初始状态,按照量子计算机欲计算的函数,运用相应的量子算法和编程,编制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作变换,将量子计算机的初态变成末态,最后对末态实施量子测量,读出运算的结果。


  一台有N个量子比特的量子计算机,要能保证能够实施一个量子比特的任意操作和任意两个量子比特的受控非操作,才能进行由这两个普适门操作的组合所构成的幺正操作,完成量子计算机的运算任务。这是量子芯片的基本要求。如果要超越现有电子计算水平,需要多于1000个量子比特构成的芯片。目前还没有这个能力做到。这种基于“量子图灵机”的标准量子计算是量子计算机研制的主流。


  除此以外,还有其他量子计算模型,如:单向量子计算,分布式量子计算,但其研制的困难并没有减少。另外,还有拓扑量子计算,绝热量子计算等。


  由于对硬件和软件的全新要求,量子计算机的所有方面都需要重新进行研究,这就意味着量子计算是非常重要的交叉学科,是需要不同领域的人共同来做才能做成的复杂工程。


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