我們用歷史來指導未來，而歷史是研究意外和變化的核心；但這不應妨礙我們以更好地了解技術的未來為目標：隨著未來到來，通過計劃獲得的知識對于選擇適當?shù)男袆又陵P重要。長期以來，量子計算機（Quantum Computer）被認為是若干年之后才會實現(xiàn)的高新技術；但近年來，該技術呈現(xiàn)出新的趨勢，實現(xiàn)了從理論走向應用，從實驗室走向生產(chǎn)線的轉變。

日前，中國科學院院士潘建偉教授在公開課演講上向公眾透露光量子計算機最新進展：已經(jīng)實現(xiàn)了光量子計算性能超過美國谷歌公司53比特量子計算機的100萬倍。他還透露：“我們剛剛完成了對50個光子的玻色取樣，相比谷歌的‘量子優(yōu)越性’大概可以快100萬倍。”所謂“量子優(yōu)越性”（quantum supremacy），是指量子計算機能達到50個量子比特，而谷歌的量子計算機在去年實現(xiàn)了53比特的量子機能。

所謂“量子計算機”，顧名思義便是利用量子力學的原理進行計算的一種系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)計算機，量子計算機能同時處理巨量信息，其運行效率遠超超級計算機。在當前階段，量子計算機被認為將會引導新一輪的技術革新，可謂是至關重要。量子計算機目前主要有兩種：光量子計算機和分子量子計算機。前者基于光學原理，后者基于化學原理。量子計算機有望解決傳統(tǒng)計算機過于復雜的問題，并以新穎而強大的方式處理信息。

1982年，美國著名物理學家理查德·費曼教授提出了量子計算的概念，并指出以量子力學為基礎的計算機在處理特定問題時，具有遠超經(jīng)典計算機的能力優(yōu)勢。這一概念提出后，引起了計算機領域的廣泛關注，并在90年代先后誕生了著名的Shor算法、Grover算法等，為后來量子計算技術發(fā)展奠定了重要的理論基礎。量子計算是新形態(tài)的計算技術，速度比傳統(tǒng)的二進制計算快上數(shù)億倍。

量子計算的主要原理就是利用了量子態(tài)的疊加性和糾纏性。比特作為計算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態(tài)，且在經(jīng)典計算模式只能處于0或1的一種，而量子比特卻能夠處于0和1的疊加態(tài)。換言之，每個經(jīng)典存儲器僅能存儲0或1其中一個，而量子存儲器卻能同時存儲0和1。因此，當計算機有n個存儲器時，經(jīng)典計算模式每操作一次只能變化一個數(shù)據(jù)，而量子計算模式每操作一次則變化了2^n個數(shù)據(jù)，量子計算的數(shù)據(jù)處理能力是經(jīng)典模式的2^n倍。當n足夠大時，量子計算的優(yōu)勢將十分明顯。

從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統(tǒng)計算機所能解決的問題，但是從計算的效率上，由于量子力學疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統(tǒng)的通用計算機。量子力學態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力和更重要作用。因此，量子計算領域近年異常熱鬧，許多科研機構都已進軍量子計算領域。

2019年8月，中國量子計算研究獲重大進展。浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等單位組成的研究團隊通力合作，開發(fā)出具有20個超導量子比特的量子芯片，并成功操控其實現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特數(shù)目的世界紀錄。據(jù)介紹，多比特量子糾纏態(tài)的實驗制備是衡量量子計算平臺控制能力的關鍵標志。經(jīng)過兩年時間的器件設計與制備、實驗測控及數(shù)據(jù)處理，由中國科學家組成的聯(lián)合團隊成功地將糾纏的量子比特數(shù)目推進到20。這見證了人類在量子計算的研究道路上又邁進了一步。

據(jù)媒體報道，美國谷歌公司研究人員最近借助量子計算機，首次成功模擬了一個化學反應。他們表示，盡管這一反應很簡單，但卻是量子計算機走向?qū)嵱没闹匾徊健Ａ孔佑嬎銠C模擬化學分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計算技術的公司也在研究，微軟就是其中一員。今年7月，微軟發(fā)表了一篇文章，用量子計算幫助化學家尋找催化劑，將二氧化碳轉化為甲醛。展示了量子計算與化學結合的應用前景。未來可以將這種算法擴大規(guī)模，來模擬更復雜的反應。而要模擬更大分子的反應，還需要更多的量子比特。

量子計算可分為通用量子計算和專用量子計算兩大類，前者具有通用性能夠解決各類計算難題，后者則是專門針對某類計算難題。目前，科研學術主要集中于專用量子計算領域，如加拿大量子計算公司D-Wave在2011年推出世界上第一臺專用量子計算機的工作模型機D-Wave one；該機包含128量子比特和2.4萬個約瑟夫森結，目前已被用于先進武器設計和雷達開發(fā)測試等領域，從而使距離量子計算機的夢想近了一大步。

科學計算離不開計算機，但它更離不開計算方法。中國著名學者周海中教授曾經(jīng)說過：“計算不僅是數(shù)學的基礎技能，而且是整個科學的基本工具。”毫無疑問，作為一種有用的計算工具和新型的計算方法，量子計算機將在各學科領域發(fā)揮越來越重要的作用，并給未來世界帶來巨變。

文/李陽（作者單位：丹麥技術大學信息技術和數(shù)學建模系）