量子计算机

刘小桐

摘 要：我国量子领域实现又一突破，继量子卫星实现量子通信后，量子计算机应运而生，使超高速运算得以实现，量子计算机不仅速度超快，与普通计算机相比，它还能解决复杂得多的问题，提高了中国的综合软实力。

关键词：量子；计算机；量子计算机

中图分类号：O413 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0023-02

我国在量子科研方面一直保持着大胆创新潜心钻研的态度，继量子卫星顺利发送至外太空，实现了量子通信后，我国又在信息网络方面实现了量子科技的大跨越，并一举打破了世界纪录， 成为世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机，这标志着我国的量子计算机研究领域已迈入世界一流水平，该量子计算机由中科大、中国科学院、阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科物理所等协同完成参与研发，是名副其实的“中国制造”。

量子计算机是在量子力学基本原理基础下实现信息处理的革命性技术，这个想法最早由美国的物理学家费曼于1982年提出，他发现分析量子物理世界所需的计算能力远远超过经典计算机所达到的程度，而用实验室中一个可控的量子系统来模拟和计算另外一个量子系统，会非常高效。与经典计算机类似，我们完成量子计算机所需的基本单位也是比特，不过是量子世界的比特。与0和1组成的比特不同，量子比特可处于0和1两种状态按照任意比例叠加。这进一步说明，量子比特其实是分布在一个单位球表面上的任意一点，可见量子比特包含的信息要远远超过经典比特，另外按照量子系统的可叠加性，多个量子比特也可以并行处理运算。由于量子系统的特殊性与高效性，量子计算机对某些行业的复杂运算具有提高效率和准确性的特点，比如无序搜索和大数据因子分解等。

对于此项科研成果，中科院方面表示：目前只有一个单光子的量子模拟机，并且证明了通过量子计算的并行性加速求解解决线性方程组的可行性。另外，这个科研所用的模拟机，性能比人类第一台电子管计算机（1946年诞生）和第一台晶体管计算机（1954年诞生）快10-100倍。另外，据官方报道此项成果的突破性表现在：（1）高效率多光子玻色采样。（2）超导电路中实现10 比特纠缠和并行逻辑运算。（3）使用超导量子处理器求解线性方程组。

量子计算机是中国科研在量子领域的又一进阶与突破，标志着中国的科研水平正在逐步崛起，并保持了一定优势，部分科研成果或已达到世界先进水平。

中国科研发展无疑是励志的最佳代言人，从建国后的一穷二白到有志者的主动请缨，其中有摸黑探索，有外部打压，有失败的呕心沥血，路，即是这样一步一步踏出来的。1964年10月，我国第一颗原子弹爆炸成功。1970年我国成功发射第一颗人造地球卫星——东方红一号。1983年我国第一台巨型计算机——银河Ⅰ号诞生。2003年我国第一艘载人飞船——神舟五号，成功升空并返回。2007年，我国探月卫星“嫦娥一号”发射成功。

除了科研领域的具体成果，在计算机的发展历程方面，也经历了不断推翻改进的过程，华罗庚教授可谓我国计算技术的奠基人和最主要开拓者之一，并着手建立了中国第一个电子计算机科研小组。1958-1964年第一代电子管计算机成功问世，标志着第一台电子计算机的诞生。1965-1972年我国第二代晶体管计算机成功完成，提供更久的运行时间和更高的效率。1973-80年代初，第三代基于中小规模集成电路的计算机研制成功。1983年中科院推出我国第一台大型向量计算机——757机，其计算速度达到每秒1000万次，这一纪录同年被银河-Ⅰ号亿次巨型计算机打破。银河-Ⅰ号巨型机是我国高速计算机研制的一个里程碑式成果。80年代中期至今，第四代基于超大规模集成电路的计算机研制已提上日程。1992年成功研制出银河-Ⅱ号运用并行巨型机，其峰值速度达到每秒4亿次浮点运算（相当于每秒10亿次基本运算）。1997年成功推出银河-Ⅲ号百亿次并行巨型计算机系统，采用可扩展分布共存存储并行处理体系结构。由130多个处理结点组成，峰值性能为每秒130亿次浮点运算。对于主宰计算机性能的量子，不得不说，近百年来，正飞速发展壮大，引起了科学家的足够重视，触角逐渐蔓延至各个科学领域，标志科学技术正向高精尖方向发展，并推动社会历史的进一步蜕变。

2006年8月，中国长征号系列火箭在酒泉卫星发射中心成功升空，这次它搭载的是“墨子号”量子实验科学卫星，这是世界上第一颗量子卫星，也是人类首次通过卫星实现地球和外太空之间的通信。将量子理论应用于通信之中，拥有很好的前景性和实用性。信息收发者通过量子频道设定密钥，而基于测不准原理，任何觊觎信息的窃听者都会破坏到数据使得收发双方发现，这就保证了没有任何人能够在不被当事人发现的情况下窃取信息，从而保持了信息的平衡安全性。这就是量子通信的基础和巨大优势。这一性能利用量子频道的超高安全性和信息容量，以及传输速度上的优势来接发信息，这正是量子计算在现实世界中最具实践性与操作性的特点。

“量子”这一名词最早由普朗克提出，根据诸多理论描述，量子理论与经典物理理论有5个显著不同的特性，即非决定性、量子干涉、测不准、量子叠加和量子纠缠。

筛选诸多报道，我们可以概括出中科大量子计算机的最主要三项科研成果：（1）中科大做出了一台专门计算boson sampling 的光量子计算机，计算了3、4、5光子的boson sampling问题，其计算速度比早期经典计算机要快很多倍。（2）中科大和浙江大学团队实现了10个超导量子比特的纠缠。（3）中科大和浙大团队在4个超导量子比特上运行了一个解线性方程组的量子算法。第一个科研成果意义很大，但实际应用意义可能不大，因为通过光子实现通用量子计算机的前景似乎不如超导系统或离子阱系统好。第二个和第三个成果意义很大，第二个成果应该是已开发的超导量子系统中实现的最多的比特数的纠缠。

量子理论对社会的意义，也体现在方方面面，具有很大独创性，比如量子计算机可以一次分析关于天气预报的所有数据，提供更好的模型效果，精确展示恶劣天气在何时何地出现，从而达到预防极端天气，拯救居民的目的。此外，量子计算机可以根据整个城市乃至整个地球上的所有人的出行计划，计算出最优解，规划出行路线，告別交通堵塞。并且量子计算机可以描述出数以万亿计的分子组成，快速分解辨别药物中的有效成分，从而降低药物研发成本和周期。除此之外，量子计算机可以更广泛地处理望远镜中的数据信息，从而发现更多的行星，探索更广袤的太空，快速识别存在的生命体，用以进一步的探究。量子计算机的一系列成就不仅是量子科技领域的突破，更让这一陌生名词逐步进入大众视野，辅助相关领域的探究，使其普遍化、实用化、多元化。量子理论的实验成果也会带动其他物质如光子、电子的探寻进程，并提供基础、先进的保障，从而实现整个科技圈的革命。

即使量子计算机已研制成功，其普及性和实用性还很欠缺，因为它们的运行条件要符合三点，即真空环境、绝对零度和磁场保护。除了对环境要求严苛，量子计算机在实际推广宣传方面也遇到一些障碍。由于量子计算机计算方法与经典计算机算法完全不同，因此编程方式也完全不同，并且会更加复杂。这意味着对程序员来说，要掌握一套比现有算法更为复杂的编程方式。此外，量子计算机也存在很多技术问题，比如量子的不稳定性，决定了信息状态的不稳定性，这会影响到计算的准确性。

总体来看，这也是一种信心，将来量子计算的发展还需要整个社会进行更大的投资，这意味着不仅是国家，也需要社会资本的参与，甚至是大公司的参与。这样才能出现像CQC、Apple这样走在前沿的创业公司以及像JQI这样的量子计算研究中心，像Google、IBM、Microsoft里一样的领先研究组，使中国不至于在信息大时代落后他国，并能保持住目前的优势，持续深远地发展下去。

量子计算机尽管存在诸多问题，但我们已经实现了一个小目标，这是一个好的开端，提高了中国在国际领域的综合软实力，拥有了进一步开发的资本。一个国家的发展，经济与政治固然重要，但文化与科技作为民众日益增长的精神需求，正在综合国力中占据越来越大的比重。文化与科技输出成为现有国家正在实施的战略手段。我国也需警觉这一点，提高重视程度，加大投资力度，同时提高教育质量，培养新一代有志有能力的青少年，鼓励科技创新与科技成果，创造良好的科研环境，提供更多的科研机会，比如创办更多的研究所，从娃娃抓起，举办各年龄段的创新大赛、科技竞赛。提高民众参与度，个人能力得到锻炼，视野得到开阔，增强信心与兴趣，以投入到后续的挖掘探索工作中。另外，应该有更多国际交流借鉴的机会，在沟通中实现双赢，增强普及性，毕竟振兴中华，与有荣焉。

关于量子科技的全面发展，需要官方与个人的协同作用。政府应该出台更优质的政策与资金支持鼓励大众，个人需要提高参与度，以自己的方式关注扶持此项目的发展，使其不破灭于摇篮。同时此项目也将回馈以社会更高效简单的生活方式，更有质量的生活乐趣，更绿色环保的环境。文化科技具有反作用力，将会推动经济、政治的巩固与发展，从而实现祖国的伟大复兴。

參考文献：

[1]李淼.宇宙学与世界观[Z].

[2]胡勇.商业价值[Z].

[3]李国杰.我国计算机的发展历程[Z].