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【地评线】南财快评:备受瞩目的“量子科技”将如何推动计算产业变革?

2020-10-23 11:30:13  21世纪经济报道 21财经APP 黄湧

本周,“量子科技”的相关概念持续刷屏。

日前,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。薛其坤院士就量子科技进行了汇报。习近平总书记在主持学习时强调,要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。科技部进一步提出,大力发展以量子技术为特征的新一代高新技术。

那么什么是量子科技呢?我们通常所说的量子科技是量子力学与信息科学的交叉学科,对于信息科学来说,量子力学是一种可以利用的数学框架。量子科技,就是利用量子力学的特性,实现经典信息科学中实现不了的功能。作为现代物理学的理论支柱,量子力学本身早就广泛运用在各种现代科技中,我们通常所说的量子科技,实际上是指量子信息技术。本文重点谈谈量子信息技术中的量子计算。

在量子力学中,量子在没有人观察的时候处于叠加态,也就是说是多种状态的叠加。如果一个量子有0和1两种状态,那么在观察前,它既是0状态又是1状态。只有当人们观察后才不可逆地坍塌为某种状态,比如成为0或1。经典计算机使用晶体管作为比特(bit),以晶体管的开闭状态分别表示 0 和 1。量子计算机使用两态量子系统比如光的偏振、电子的自旋等作为量子比特(qubit)。由于量子态叠加原理,量子比特能够同时存储 0 和 1。 一个n比特的经典物理存储器,同一时刻只能存储2的n次方个数据中的任一个,经典计算机同一时刻只能对一个数据进行运算。而n比特的量子存储器,由于每个量子比特同时存储0和1,可以在同一时刻,存储2的n次方个数据。由于可以同时对存储器中的全部数据进行量子力学的数学操作,量子计算机在一次运算中,同时对2的n次方个数进行运算。量子计算机的一次运算,相当于2的n次方个经典计算机同时进行运算,从而节省了大量计算时间和存储资源。

各种微观粒子,比如说电子、光子等,都遵循量子力学,所以实现量子计算的技术途径很多。目前来看,最为主流的是超导计算机。谷歌、IBM和我国的“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”,采用的都是超导计算机。超导计算机在无电阻电流中生成处于相干叠加态的量子比特,为保证量子处于叠加态一段时间(目前可以达到50微秒)并不受外界干扰,需要使用超导材料与外界环境隔绝,这些超导材料一般需要在零下273.05摄氏度的环境下工作。由此可见超导计算机的技术难度是很大的。目前谷歌、IBM等公司的超导计算机可以实现50个以上的叠加态量子比特,也就是比特位数超过50位。而我国的阿里、本源量子等目前尚处于起步阶段。

对量子存储器中的数据进行的量子力学数学操作被称为量子算法。目前来看,通用量子计算机的出现仍然遥遥无期,但是解决具体问题的量子算法已经有一些。由于实现量子计算机的技术难度,发现解决具体问题的量子算法以及技术上实现算法的难度,量子计算机并没有真正实现商用,也只是针对某些具体问题极大的提高计算力。虽然如此,在具体问题和场景中的应用,仍然可以产生革命性的成果。对于具体问题的运算速度,可以有指数级的提升。中科院院士潘建伟教授称,“新一代量子计算机能够解决目前世界上最好的超级计算机都无法解决的问题,而速度将比天河二号快相当于百亿亿倍。” 

药物研发、蛋白质结构研究,新材料研究往往都需要在分子机构的微观尺度上进型模拟运算。分子结构尺度遵循量子力学,用经典计算机模拟该尺度的分子结构和相互作用往往算力不足。模拟20、30个原子的分子结构还可以,但是模拟更多原子的分子结构耗费的计算资源极大。量子计算机能够直接模拟分子中量子化的原子,从而克服经典计算模拟大分子效率较低的问题。

量子计算在机器学习、人工智能领域同样有着极大的潜力。目前已经有量子退火(Quantum Annealing)算法,该算法可以极大的提速寻找全局最小(global minimum)这一机器学习中必要而又费时的过程。随着相关量子算法的技术实现,可以指数级的提高人工智能的速度。假设人们把量子计算机运用到监控领域,它可以瞬间在数据库中扫描60亿地球人的脸,并实时辨别出一个人的身份。 

虽然量子计算机还没有实现真正的商用,而且只是针对每一个具体问题,而不是通用计算机,但它所带来的计算力突破意义极为重大,被认为是未来科技的引擎。甚至有人把它的重要性类比于蒸汽机之于工业革命。目前看,虽然我国在量子通讯领域处于世界领先地位,但是在量子计算领域,与美国还有一定的差距。2015年,阿里巴巴和中科院合作成立了亚洲首个量子计算实验室,开展在量子信息科学领域的前瞻性研究,探索超越经典计算机的下一代超快计算技术。研发量子计算的资金投入和技术壁垒都是很大的,而阿里巴巴成为量子计算的玩家,可以使我国的量子计算真正做到产学研的结合,也能够吸引到宝贵的量子计算人才,避免人才流失。通过对谷歌、IBM等公司的追赶,可以避免美国在未来对量子计算的垄断。相信在中国科技人员和阿里这样的大型商业公司的努力下,我们的量子计算在国际竞争中不会掉队。

(作者系资深科技研究者,三垣(海南)科技有限公司首席战略官)