当量子计算技术踏出实验室会成为颠覆人类社会的洪荒之力吗
发布时间：2022-11-02 11:00:43 所属栏目：动态 来源：互联网
导读： 量子计算可谓是目前最令人兴奋（和被炒作）的研究领域之一。8月25日，百度公司在北京发布搭载10个量子比特超导量子芯片的第一款低温超导量子计算机“乾始”，并据此形成全球
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量子计算可谓是目前最令人兴奋（和被炒作）的研究领域之一。8月25日，百度公司在北京发布搭载10个量子比特超导量子芯片的第一款低温超导量子计算机“乾始”，并据此形成全球首个全平台量子软硬一体化解决方案“量羲”。 “科技创新只有真正应用于产业，在实践中验证其价值，才有长久的生命力。”百度CTO王海峰在大会致辞中谈及“量子计算技术将走出实验室”时表示，“我们相信，量子计算产业化是发挥量子价值的重要方式。” 1、最具潜力的“破局者” 1981年，诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出了两个富有洞察力的问题：经典计算机是否能有效模拟量子系统？舍弃经典的图灵机模型而利用具有奇特性质的量子材料，能否构建模拟量子系统的计算机？ 这是人类首次提出量子计算机概念，量子计算机的时代帷幕也由此拉开。 作为重要的前沿科技之一，量子计算被认为是延续接近物理极限的摩尔定律继续发展的重要路径。量子计算的特别之处在于，其计算能力随着能够支持的量子比特数的增长呈幂指数2n增长。 传统计算机借助0或1的位(Bit)来处理信息，而量子计算机是一种基于量子力学原理构建的计算机，使用的量子比特（Qubit）利用量子态叠加原理能够同时表示0和1，使得量子计算机相较经典计算机算力发生爆发式增长，形成“量子优越性”。 “量子优越性（Quantum Supremacy）”也翻译为“量子霸权”，通俗来讲，如果量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明量子计算在未来有多方超越的可能。量子比特（Qubit）是量子计算机处理的信息的单位，量子比特的数量是衡量技术进步的重要指标。 理论上，拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过目前世界上最先进的超级计算机，拥有300个量子比特的量子计算机就能支持比宇宙中原子数量更多的并行计算，量子计算机能够将某些经典计算机需要数万年来处理的复杂问题的运行时间缩短至几秒钟。 这意味着不论是在人工智能、信息安全、加密通信领域，还是在基础科研、化工能源、太空探索等领域，量子计算将给世界带来颠覆性改变。 2019年10月，谷歌宣布实现量子优越性。谷歌使用53位量子比特计算机Sycamore运行随机电路取样，仅用20s时间即完成了结果，而谷歌推算如果使用超级计算机Summit需耗时1万年。 毫无疑问，量子计算能给人类带来的回报是巨大的，并有望在新药开发、破解密码、以及搜索等人工智能应用上最先得到商用。 以人工智能为例，量子计算具有并行计算等优势，人工智能需要涉及大量数据，两者具有天然耦合性。德国大众、摩根大通等企业均已开始和量子计算公司合作进行有关的开发。 而在新药开发领域，量子计算相较经典计算的优势是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，提高药物研发效率。 据波士顿咨询集团（BCG）预测，到2040年前后，量子计算机将最多创造8500亿美元的价值。 近年来，美国、欧盟、英国、日本等主要国家和地区高度重视量子科技发展，通过出台政策文件、成立研究机构、支持量子科技研究等方式加大对量子科技的规划布局和支持力度。 2、竞争态势愈演愈烈 量子科技是新一轮科技革命和产业变革的必争领域之一，集结了D-Wave、谷歌、IBM、英特尔、英伟达、霍尼韦尔、中科院、中科大、本源量子等一批国内外企业、科研团队，竞争态势愈演愈烈。 目前，学界将量子计算的发展分为三个阶段： 第一阶段的目标是实现量子计算优越性。即量子计算机对特定问题的计算能力超越超级计算机，这一目标已经有美国、中国和加拿大先后达到。 第二阶段的目标是实现专用的量子模拟机，可以应用于组合优化量子化学、机器学习等特定问题，来指导材料设计、药物开发等。达到这一阶段，按照目前的估计还需要5到10年，是当前学术界主要的研究任务。 第三阶段是在实现量子纠错的基础上，构建可编程通用量子计算机。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚未明确。 制约量子技术成熟的因素包括量子比特数、相干时间和合适的算法。其中，量子比特数和相干时间是决定量子计算机性能的两个硬件指标。量子比特数越高意味着量子计算机能够支持更大数字参与运算，单次运算处理的信息量越大。相干时间代表了量子比特维持量子叠加态的时间，相干时间越长意味着能够对其进行更为复杂的运算，支持更复杂的算法。量子算法则决定了量子计算机解决问题的范围。 根据量子比特的制备方式不同，建造量子计算机的主流技术路径有超导量子、光量子、离子阱、半导体量子点量子以及量子拓扑等。其中，超导和离子阱路线相对领先。 2019年初，IBM首先实现了基于超导系统的50位量子计算机“IBM-Q”。谷歌也是超导系统的追捧者，迅速超越IBM，于2019年9月发布53量子比特的“悬铃木”。2021年，我国可编程超导量子计算机“祖冲之号”问世，量子比特达到62个。 2021年10月，在美国纽约证券交易所上市的美国IonQ的首席执行官（CEO）彼得·查普曼(Peter Chapman)这样表示。该公司开发出了利用离子（带电的原子）制造量子比特、被称为“离子阱(Ion trap)”的方式，正在迅速追赶领跑的巨人。 普遍认为，量子计算机的理想状态是通用量子计算机。这样的量子计算机将被用来解决任何可解的问题，在很多领域会得到广泛应用。然而，目前量子比特数还远远不够，纠错容错技术也不够完善，大大限制了计算能力。 值得关注的是，量子计算的到来将给现代网络安全带来巨大冲击，自20世纪90年代以来，非对称加密方式RSA是用于网络数据传输、身份认证、在线支付等互联网应用的主要加密方式。传统计算机需要花费上万年才能破解RSA加密密钥，在理论上保障了信息传递的安全性。而量子计算强大的并行计算能力仅需几分钟便可完成密码的破译，网络安全、隐私安全乃至国家安全正面临前所未有的量子挑战。 3、中国“三傻”震惊全球 目前，世界各国都在集中力量和科研资源，寻找适合自己的量子计算机实现途径。 在我国，量子科技产业已经成为国家战略，量子计算作为产业内的重点应用之一，在科研团队与企业的不断努力下，有望加速突破。 2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。 实验显示，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而目前世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。等效来看，“九章”的计算速度比谷歌的“悬铃木”快100亿倍，并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。 除了光量子计算机，在超导量子计算机上，我国科学家也有了很好的成果。2021年5月8日，中国科学技术大学公布，该校潘建伟院士团队近期成功研制了目前国际上超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号”，操纵的超导量子比特达到62个，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。国际权威学术期刊《科学》发表了该研究成果。 2021年10月，“祖冲之号”和“九章”的2.0升级版——“祖冲之二号”“九章二号”均成功构建。“祖冲之二号”构建了66比特可编程超导量子计算原型机，完成自我超越。“祖冲之二号”对特定任务处理速度比当前最快的超级计算机快一千万倍，所完成任务的难度比谷歌“悬铃木”高2-3个数量级。 “九章二号”则再次刷新国际光量子操纵的技术水平，成功构建了113个光子、144模式的量子计算原型机，处理特定问题比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍。 本次百度自主研发的超导量子计算机“乾始”，其目标是建造超能量的量子计算机，利用“量義”平台打通整个链条，真正实现整体的落地应用。 关于量子计算研发路线图，据披露，2023年，百度量子芯片将达到超过100个量子比特，实现高潜量子应用；2025年，百度量子芯片将达到超过1000个量子比特，实现实际的量子优势；2028年，百度量子芯片将达到超过10000量子比特，实现规模化商用及容错量子计算。 毋庸置疑，建造通用大规模量子计算机并非一日之功，需要全世界科学家们默默无闻、坚持不懈地辛苦耕耘，而大量人力财力支持也必不可少。 未来，量子计算机或许会成为人类进入量子世界的门户，但是我们现在看到的量子世界还很难分清是“明月光”还是“地上霜”。 （编辑：站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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