量子計(jì)算機(jī)：有望突破算力極限

近日，在安徽合肥本源量子實(shí)驗(yàn)室一樓展示大廳，4臺(tái)近2米高的“中國(guó)造”量子計(jì)算機(jī)亮相，讓觀眾零距離了解現(xiàn)實(shí)版《流浪地球2》中的量子計(jì)算機(jī)雛形。

本源量子對(duì)外發(fā)布的中國(guó)首個(gè)量子計(jì)算操作系統(tǒng)“本源司南”。來源：視覺中國(guó)

要了解量子計(jì)算機(jī)，首先要知道量子是什么？一份一份的、不連續(xù)的稱之為量子化。量子化的微觀粒子就是量子。量子的概念最早出現(xiàn)在科學(xué)家解釋黑體輻射的理論中。德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了量子化的觀念。他認(rèn)為微觀世界中的電磁波絕不是連續(xù)的，應(yīng)是一份一份的。美國(guó)物理學(xué)家密立根通過油滴實(shí)驗(yàn)證明了電荷并不是連續(xù)的，而是量子化的，每一份就是一個(gè)元電荷，任何電荷所帶電荷量均應(yīng)是元電荷電荷量的整數(shù)倍。

那么，什么是量子計(jì)算機(jī)呢？量子理論與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，就有了量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)是基于量子理論進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的高新科技產(chǎn)品。在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，基本信息單位為比特，運(yùn)算對(duì)象是各種比特序列。與此類似，量子計(jì)算機(jī)也有自己的基本單位——昆比特。昆比特又稱量子比特，運(yùn)算對(duì)象是量子比特序列。

20世紀(jì)80年代初期，貝尼奧夫首先提出了量子計(jì)算的思想。1982年，費(fèi)因曼發(fā)展了貝尼奧夫的設(shè)想，提出量子計(jì)算機(jī)可以模擬其他量子系統(tǒng)，這被認(rèn)為是最早量子計(jì)算機(jī)的思想。隨后，在1994年，彼得·秀爾提出了量子質(zhì)因子分解算法，這是量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的一個(gè)階段性跨越。

量子計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是運(yùn)行速度較快、處置信息能力較強(qiáng)、應(yīng)用范圍較廣等。與一般計(jì)算機(jī)比較起來，信息處理量愈多，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)實(shí)施運(yùn)算也就愈加有利，也就更能確保運(yùn)算具備精準(zhǔn)性。

當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)研制方面取得了重大進(jìn)展。2017年，谷歌在53個(gè)量子比特的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了隨機(jī)量子線路模擬。2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在光量子計(jì)算機(jī)“九章”上進(jìn)行了大規(guī)模高斯玻色采樣。2021年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功研制出全球超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量最多的量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了可編程二維62比特量子處理器上的量子行走。美國(guó)研究人員首次利用量子計(jì)算機(jī)模擬出“全息蟲洞”，相關(guān)研究成果于2022年12月1日以封面文章形式在國(guó)際期刊《自然》發(fā)表。可以看出，經(jīng)過多年的量子信息技術(shù)發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)正在穩(wěn)步前進(jìn)。

20世紀(jì)，物理學(xué)天空中最閃亮的幾顆新星之一當(dāng)數(shù)量子力學(xué)的提出與發(fā)展。與此同時(shí)，電子計(jì)算機(jī)的誕生也深刻地改變了世界。量子力學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)在20世紀(jì)80年代開始結(jié)合，并誕生了一個(gè)多學(xué)科交叉與融合的新學(xué)科方向——量子計(jì)算。它在備受關(guān)注中快速發(fā)展，并有可能產(chǎn)生足以改變傳統(tǒng)計(jì)算模式，從而對(duì)人類文明產(chǎn)生巨大推動(dòng)的計(jì)算工具——量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)受到廣泛關(guān)注的主要原因，是它有可能突破當(dāng)前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力極限，有望解決一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以解決的問題。雖然在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)獲得了大量的可喜成果，但是我們還有很多未知的知識(shí)需要不斷探索與發(fā)現(xiàn)。

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