劃重點(diǎn)

騰訊科技訊 谷歌近日宣布其在量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大突破，其設(shè)計(jì)的量子計(jì)算機(jī)可在短短幾秒鐘內(nèi)，完成世界上最先進(jìn)超級計(jì)算機(jī)需要47年才能完成的計(jì)算量。這可能標(biāo)志著，量子計(jì)算技術(shù)迎來了里程碑時(shí)刻。

量子計(jì)算是一門利用量子物理學(xué)奇異之處的科學(xué)，它仍然是一個(gè)快速發(fā)展且存在爭議的領(lǐng)域。量子計(jì)算機(jī)在氣候科學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域擁有巨大潛力，它們提供的計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品。

潛在缺點(diǎn)

然而，這種先進(jìn)技術(shù)并非沒有潛在的缺點(diǎn)。量子計(jì)算機(jī)對當(dāng)代加密系統(tǒng)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，因此其也被視為最重要的國家安全問題之一。

爭議性的討論仍在繼續(xù)。批評者認(rèn)為，盡管取得了令人印象深刻的里程碑，但這些量子機(jī)器仍然需要在學(xué)術(shù)研究之外展示更多的實(shí)用性。

量子計(jì)算機(jī)算力驚人

四年前，谷歌聲稱自己是第一家實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的公司，這是量子計(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的一個(gè)里程碑。這在當(dāng)時(shí)受到了競爭對手的質(zhì)疑，他們認(rèn)為谷歌夸大了其機(jī)器與傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)之間的區(qū)別。

谷歌最新的量子計(jì)算機(jī)名為Sycamore量子處理器，目前擁有70個(gè)量子比特。與早期版本的53個(gè)量子比特相比，這是一個(gè)巨大的飛躍。增加更多的量子比特可以成倍地提高量子計(jì)算機(jī)的性能，這使得新處理器的健壯性大約是以前機(jī)型的2.41億倍。

由于每個(gè)量子比特可以同時(shí)以0、1或兩者的狀態(tài)存在，因此其存儲(chǔ)和處理這種量子信息水平的能力，即使是最快的超級計(jì)算機(jī)也無法匹敵。

谷歌團(tuán)隊(duì)在arXiv平臺(tái)上發(fā)布的預(yù)印本論文中表示：“量子計(jì)算機(jī)有望執(zhí)行超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能力的任務(wù)。我們根據(jù)改進(jìn)的傳統(tǒng)方法估計(jì)了計(jì)算成本，并證明我們的實(shí)驗(yàn)超出了現(xiàn)有傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)的能力。”

即使是目前最快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，如田納西州的超級計(jì)算機(jī)Frontier，也無法與量子計(jì)算機(jī)的潛力相媲美。這些傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)在二進(jìn)制代碼語言上運(yùn)行，被限制在0和1的雙狀態(tài)現(xiàn)實(shí)中。然而，量子范式超越了這一限制。

變革性力量

目前還不確定谷歌量子計(jì)算機(jī)的制造成本是多少。但無論如何，這一發(fā)展肯定會(huì)給計(jì)算能力帶來巨大變化。

例如，根據(jù)谷歌團(tuán)隊(duì)的說法，F(xiàn)rontier超級計(jì)算機(jī)只需6.18秒就能完成谷歌53量子比特計(jì)算機(jī)的計(jì)算。然而，同樣的機(jī)器需要47.2年才能完成谷歌最新70量子比特機(jī)器執(zhí)行的計(jì)算。

量子霸權(quán)

量子計(jì)算領(lǐng)域的許多專家都贊揚(yáng)了谷歌取得的重大進(jìn)步。總部位于劍橋的量子公司Riverlane的首席執(zhí)行官史蒂夫·布里爾利(Steve Brierley)稱，谷歌的突破是一個(gè)“重大里程碑”。

他還補(bǔ)充說：“關(guān)于我們是否已經(jīng)達(dá)到或確實(shí)能夠達(dá)到量子霸權(quán)的爭論，現(xiàn)在已經(jīng)解決了。”

同樣，蘇塞克斯量子技術(shù)中心主任溫弗里德·亨辛格教授（Winfried Hensinger）也稱贊說，谷歌解決了一個(gè)難以在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上計(jì)算的特定學(xué)術(shù)問題。

亨辛格教授說：“他們最近的演示再次有力地證明了，量子計(jì)算機(jī)正在以穩(wěn)定的速度發(fā)展。”但他強(qiáng)調(diào)，即將到來的關(guān)鍵一步將是創(chuàng)造能夠糾正其固有操作錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī)。

雖然IBM尚未對谷歌最近的突破發(fā)表評論，但很明顯，量子計(jì)算領(lǐng)域的這一進(jìn)展已經(jīng)引起了全球研究人員和公司的注意。這將為計(jì)算技術(shù)的發(fā)展開辟新的前景和競爭。

量子計(jì)算基礎(chǔ)

量子計(jì)算是技術(shù)進(jìn)步的一次顯著飛躍，它有可能重新定義我們的計(jì)算能力。利用量子物理奇怪而迷人的定律，它可以在解決某些類型的問題上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基于比特運(yùn)行，比特可以是0或1的狀態(tài)。另一方面，量子計(jì)算機(jī)在量子比特上運(yùn)行，稱為量子比特。與傳統(tǒng)比特不同，量子比特可以同時(shí)以兩種狀態(tài)存在，這要?dú)w功于一種被稱為疊加的量子原理。

疊加使量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力呈指數(shù)級增長。例如，兩個(gè)量子比特可以同時(shí)存在于四種狀態(tài)(00、01、10、11)，三個(gè)量子比特可以同時(shí)存在于八種狀態(tài)，以此類推。這使得量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處理大量的可能性。

量子計(jì)算機(jī)利用的另一個(gè)關(guān)鍵量子原理是糾纏。糾纏的量子比特緊密相連，改變一個(gè)量子比特的狀態(tài)，與它糾纏的伙伴的狀態(tài)也會(huì)瞬間改變，不管距離有多遠(yuǎn)。這一特性使量子計(jì)算機(jī)能夠更有效地處理復(fù)雜的計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

量子計(jì)算的獨(dú)特特性使其成為解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的復(fù)雜問題的理想選擇。

密碼學(xué)是量子計(jì)算可以產(chǎn)生重大影響的一個(gè)值得注意的領(lǐng)域。快速分解大數(shù)的能力使量子計(jì)算機(jī)對當(dāng)前的加密系統(tǒng)構(gòu)成威脅，但也為開發(fā)更安全的量子加密方法打開了大門。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，量子計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的建模，加速藥物的發(fā)現(xiàn)。量子模擬可以提供對新材料和新工藝的見解，此前這些新材料和工藝可能需要數(shù)年時(shí)間才能通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。

量子計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)

盡管潛力巨大，但量子計(jì)算并非沒有挑戰(zhàn)。量子態(tài)非常微妙，在一段時(shí)間內(nèi)保持這種狀態(tài)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，也就是量子相干性。最輕微的環(huán)境干擾都會(huì)導(dǎo)致量子比特失去狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為退相干。

量子糾錯(cuò)是另一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。由于量子比特的脆弱性，量子計(jì)算比傳統(tǒng)計(jì)算更容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。開發(fā)既不需要大量量子比特、又具備有效糾錯(cuò)方法的量子計(jì)算機(jī)，仍然是量子計(jì)算研究的焦點(diǎn)。

總部位于布萊頓的初創(chuàng)企業(yè)通用量子(Universal Quantum)的首席執(zhí)行官塞巴斯蒂安·威特(Sebastian Weidt)表示，量子計(jì)算機(jī)需要展示更多實(shí)用功能。

他說:“這是量子霸權(quán)的一個(gè)很好的證明。雖然在學(xué)術(shù)上是一個(gè)偉大的成就，但所使用的算法并沒有真正在現(xiàn)實(shí)世界中得到實(shí)際應(yīng)用。我們真的必須進(jìn)入實(shí)用量子計(jì)算時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代，擁有數(shù)千個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)際上開始以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的方式為社會(huì)提供價(jià)值。”

量子計(jì)算的未來

雖然量子計(jì)算仍處于起步階段，但創(chuàng)新的快速步伐預(yù)示著一個(gè)充滿希望的未來。IBM、谷歌和微軟等科技巨頭以及眾多初創(chuàng)公司都在量子計(jì)算研究方面取得了重大進(jìn)展。

在未來幾年，我們可以預(yù)期量子計(jì)算機(jī)在功率和可靠性方面繼續(xù)得到改進(jìn)。量子霸權(quán)（量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算能力上超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)）可能比我們想象的更容易實(shí)現(xiàn)。

量子計(jì)算代表了一個(gè)激動(dòng)人心的前沿領(lǐng)域，有望幫助我們重塑解決復(fù)雜問題的方式。隨著研究和開發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，我們離釋放這項(xiàng)變革型技術(shù)的全部潛力越來越近。（文/金鹿）