第四次科技革命：量子计算机

荘志刚

自20世纪40年代，电子计算机步入了飞速发展的快车道。从“电子管”到“晶体管”，从“集成电路”到“量子位”，计算机的运行速度由“高速”向“超高速”演变，算法由“简单运算”进化为“精准计算”，安全防护由“加密处理”升级至“深度加密”，处在由“量变”到“质变”的关键期。不少科学家预言，把量子力学应用于计算机領域将成为与工业革命中的“蒸汽机”、电气时代中的“电机和内燃机”及信息纪元中的“经典计算机”相提并论的颠覆性技术，或将引发人类历史上的第四次划时代的科技变革！

量子力学嵌入电子计算机

在2018年国际消费电子展上，英特尔公司正式展示其研发的49量子比特的超导量子计算机测试芯片“Tangle Lake”，相比传统计算芯片，其计算单元数量大幅提升。在之后举行的美国物理学年会上，在谷歌量子人工智能实验室从事科研的科学家朱利安·凯莉（Julian Kelly）表示，谷歌团队正在测试一台72量子比特的通用量子计算机。据称，此台计算机将实现与9量子比特的量子计算机持平的百分之一的低错误率！既具备超算能力，又兼具正确率，这引发了全球热议，甚至有科学家戏称“量子计算机即将走进寻常人家”！

回顾量子计算机的发展历程，1981年是一个必须说的年份。是年，美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）首次提出量子计算机的概念，指出通过应用量子力学效应，能大幅提高计算机的运算速度。经典计算机需几十亿年才能破译的密码，量子计算机在20分钟内即可破解。

1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（Peter Shor）教授首次应用量子算法进行数的质因子分解，证明量子计算机能完成对数运算，且速度远胜经典计算机，这是在量子计算机理论提出十多年后的第一次成功实验。2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16个量子比特的超导量子计算机，但其作用仅限于解决某些最优化问题，与学界公认的能进行超算活动的量子计算机有较大差距。至此，量子计算机的研发陷入瓶颈。之后，经过数年的沉浮期，量子计算机的研发在21世纪的第二个十年呈现爆发式的发展态势，逐步由“实验室阶段”向“工程应用阶段”迈进。

在学界普遍的认知中，量子比特数值越高，对应的量子计算机的估算能力就越强大。随着学界对量子计算机研发的愈发重视，微软、谷歌、英特尔、IBM、阿里巴巴等科技巨头企业纷纷进军量子计算机科研领域，在抢夺量子霸权的高地上进行着激烈的PK（详见图表）。

那么为什么学界和科技企业均会加码量子计算机，纷纷抢夺量子蛋糕呢？答案或许就在于量子计算机的“快”！

量子计算机的“快”

谷歌量子计算专家约翰·马丁尼（John Martinis）在2017年11月接受《自然》杂志采访中表示，“一台50个量子比特的量子计算机的计算能力和运算速度将超过世界上任何计算机，能解决经典计算机所解决不了的问题”。目前，世界上超算能力最强的经典计算机是“神威·太湖之光”超级计算机，其峰值运算性能为12.5亿亿次/秒，持续性能为9.3亿亿次/秒。而一台50个量子比特的量子计算机，其持续性能为1125亿亿次/秒，超算能力瞬间秒杀前者。

另一方面，量子计算机的超算又造成其对海量信息的分析功能异常强大，能同时进行的运算更多。比如，量子计算机可以从庞大的排列组合中寻找最佳的正确答案。日本电报电话公司物理性科学基础研究所研发的超高性能新型量子计算机，能在按关系亲疏分组的2000人的测试中，以千分之五秒的速度得出正确答案，其速度约为目前最快的大型计算机的100倍。又比如，随着人脸识别在公共安全领域的深度应用，如何处理人脸识别数据成为一大难题。量子计算机可以瞬间处理监控数据库中60亿人次的脸部图片，并实时辨别出一个人的身份信息。在拥有如此强大能力的背后，其秘诀在于“量子比特”。

何为量子比特

解释量子比特，要从经典计算机的存储单位“比特”说起。我们普遍使用的经典计算机的存储单位是“比特”（Bit），应用的是二进制编码。因此，比特值要么是0，要么是1。其运算能力受限的根源就在于二进制编码。然而，量子计算机的运行规则就不同了。其最小的存储信息单位是“量子比特”。一个量子比特可以表示0，也可以表示1，更可以表示0和1的叠加。这意味着量子比特可处在0和1两种状态按照任意比例的叠加，可进行同步运算，即“量子叠加”。比如，一个放置于磁场中的原子，处于陀螺旋转状态。它的旋转轴既可以向上指，也可以向下指，还能向左、向右、向前、向后指。这好比分布在单位球表面上的任意一点的量子比特，其包含的信息量远超过只能向前或向后指的经典比特。除此以外，两个量子比特还可以共享量子态。分处两地的两个量子比特能产生共享，在量子叠加的基础上创造出更强的叠加效应，即“量子纠缠”。

这就是量子计算机超强信息处理能力的源泉。如同一个人面前有数十条路，只有一条路可以通往目的地。经典计算机会一条又一条路进行逐个试错，耗时又费力。但量子计算机却可以如同孙悟空似的变出无数个跟自己一模一样的猴子猴孙。尽管也是每条路都尝试，但却是“同时行走、平行估算”。这相当于一台经典计算机变成了无数台经典计算机，效率并非线性增长，而是指数增长！

重构世界的量子计算机

通过量子叠加和量子纠缠进行数据运算，量子计算机借助着先天的“快”，或将重新定义程序和算法，在加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、人工智能、太空探索等领域有广阔的应用前景，颠覆了现今的普遍认知。

模拟药物成分碰撞，更高效地研发药物

开发一种新药是复杂的过程。药剂学家们需开展无数不同分子组合方式的试验，从而找到有效治愈某种疾病的药物特性。此过程可能持续数年，耗费大量的人力物力财力。但在后期实验时，仍然会有不少组合失败。

与当前所用方式相比，量子计算机为人类基因分析排序的速度也更快，能在短期内绘制数以万亿计的分子组合模式，并迅速确定最有可能生效的组合。这将极大地节省药物的研发成本，为个性化配药和医疗保健方案提供依据。比如，人类基因组中编码的蛋白质有2万个。借助量子计算机，能快速分析特定药物分子与特定蛋白质的相互作用，模拟药物在人体内的点对点化学反应，建立医学模拟的新模型，大幅降低新药品的试错率。同理，在材料和微纳制造、化学用品合成等方面也能适用。

规划最优出行路线，解决交通拥堵

从交通综合治理的角度而言，量子计算能迅速对复杂的交通状况进行分析研判，调度综合交通系统，最大限度避免道路拥堵。结合目前通信卫星采集的大量照片和视频资料，量子计算机能够以比经典计算机或人脑快得多的速度筛选海量数据，向我们提供哪些数据是有分析价值的，哪些是可以忽略的。这就大大地简化了空中和地面交通控制的工作量，提速了数据分析的质效。

从个人出行选择的角度而言，量子计算机能为个人出行制定个性化出行方案。若你计划旅行，期间在10个不同的地点停留，经典计算机需单独计算所有可能路线的长度，再筛选出最佳路线。而量子计算机能同时计算所有路线的长度，以更快的速度筛选出最佳路线。

即时全面的数据分析，更高精准度的天气预测

量子计算机初创企业QxBranch的董事会成员雷伊·约翰逊（Ray Johnson）认为“即便通过最尖端的仪器分析温度、压强等天气指标，也会出现不确定性，造成了气象模拟的不精准”。但量子计算机却能一次分析当天所有的天气指数，为气象预测师提供更精准的应用模型，精确显示何时何地将出现恶劣天气。一旦我们能提前预知飓风、暴雨等自然灾害天气，就将有更多的时间提前做好准备，从而拯救更多的生命！谷歌工程主管哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）亦指出“量子计算机对天气预测的意义在于让我们深入了解更多有关气候如何变化的趋势，更深入地分析人类与自然环境的相互作用”。

轻松破译RSA算法，更安全的加密通信

作为现在常用的加密算法，RSA算法在密码防护方面具有重要作用。若用400位数的整数来做一个RSA密钥，依托现在最强的经典计算机需60万年才能完全破译。但一台有相当存储功能的量子计算机，三个小时便能破译，且三个小时是最保守的估计！滑铁卢大学量子计算研究所共同创立人米歇尔·莫斯卡曾警告：“量子计算机的出现，将令现行公钥密码工具，有七分之一的可能到2026年就会崩溃，2031年这一可能性将跃升至百分之五十。”

破译和加密就如同一枚硬币的两面，量子计算机在加密方面也有巨大的前景。1984年，基于量子力学测量原理的“量子密钥分配”BB84协议被正式提出。历经数十年的实验室研发，以“量子密钥分配”为核心的量子保密通信技术已逐渐走向实用化。其核心理论是允许某人发送信息给其他人，但只有使用量子密匙解密后才能閱读信息。若第三方拦截密匙，信息会变得毫无用处，也没人能够再读取它。因此，信息收发者通过量子频道设定密钥，基于测不准原理，任何觊觎信息的窃听者都会破坏数据并使得收发双方发现，这就保证了没有人能在不被当事人发现的情况下窃取信息，确保了信息的平衡安全。比如，我国天宫二号上载荷的“量子密钥分配专项”通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成“天机不可泄露”的量子密钥。又比如，世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”，也运用了量子密钥分配技术，旨在提高我国在军事国防、银行、金融系统的信息安全。

更高效地模拟大脑机制，AI不再遥远

尽管经典计算机对于目前人工智能的发展多有裨益，在一定程度上促进了人工智能技术与电子计算机的融合，但经典计算机在情感、创造、联想等人脑深层次功能的开发方面仍然表现得捉襟见肘，制约了人工智能技术的深度发展。学界对人工智能核心资源的普遍认识是运算能力。二进制编码和摩尔定律决定了经典计算机的运算能力已经遭遇了瓶颈。而量子计算机的量子叠加和量子纠缠效应足以模拟大脑的复杂运作机制，人工智能赖以发展的核心资源得以迎刃而解，人工智能就有可能突破联想力、创造力、思考力和情感力的掣肘。比如，自我纠错功能。在量子计算机中，程序员可以凭借其超算能力，建立自我修改出现乱码的程序代码，形成机器的自我纠错学习。这就类似于Facebook新闻流会根据你的“点赞”而进行相应变化。只不过，上述运行程序更加复杂而已。显然，量子计算机的机器学习可辅助人类更快、更高效、更准确地处理更多的事情。或许，某一天，量子计算机功能的持续改善真会促使半自动车辆、无人驾驶和其他更先进的人工智能的诞生。

加速太空探索，寻找第二个地球

目前，人类对太空探索最广泛使用的专业工具是“开普勒太空望远镜”。利用开普勒太空望远镜，天文学家已经在太阳系外发现近2000颗系外行星。开普勒的任务还包括盯紧这些行星，等待它们从宿主恒星前面通过等。天文学家可以根据系外行星投射下的阴影，分析和预测这些行星运行轨道、大气状况、是否有生命生存、是否有类地球现象……

量子计算机对于加速太空探索同样具有重要意义！从开普勒太空望远镜观察到的海量数据信息中，量子计算机可以快速确认哪些行星最有可能适合生命生存，迅速识别存在的生命体，探索2000颗系外行星以外更广袤的太空……显然，已经有国家或者企业意识到了这种可能性。比如，美国国家航空航天局（NASA）指令下属的非营利组织大学太空研究联盟开展一项计划，由谷歌和NASA共同自主研发一台和D-Wave同类型的量子计算机，用以探索宇宙奥秘。2018年3月，谷歌推出了超导量子处理器Bristlecone。据谷歌介绍，这个新的量子计算机芯片有72个量子位。当它达到300个量子位时，预计可以执行比已知宇宙中的原子还要多的超算。也许，在不久的某一天，宇宙中的第二个地球将被量子计算机锁定。

重塑世界任重而道远

但不可否认的是，目前量子比特的实现方式仍然存在不少缺陷和亟待改进的地方。基于光子、超导环、离子阱、半导体量子结构等不同物理载体实现的量子计算机亦各有优劣。比如，超导环容易控制，但相干时间却极短；又比如，光子虽然相干时间较长，但却难以观测和控制；再比如，离子阱尽管相干时间较长且易于控制，可是由于需要频繁的激光操作，因此效率并不高。正如量子信息界权威人士查尔斯·本内特（Charles Bennett）教授所言，“现在的量子计算机或许只是一个玩具，真正做到有实用价值的也许是五年，十年，甚至是更久以后”。

值得注意的是，当前的网络信息技术发展呈现的是信息数据采集方式多样化，比如监控、语音识别、物联网、轨迹定位，而缺乏快速准确处理海量信息数据的载体，经典计算机显然无法满足此种需求。因此，可以预见量子计算的黄金时代已经到来，它将为运算带来“指数级加速、超低的错误率、更高效地得出答案”的美好前景，让我们拭目以待！

编辑：黄灵 yeshzhwu@foxmail.com