在位于上(shàng)海浦東新區的中國(guó)科學技(jì)術(shù)大學上(shàng)海研究院實驗大樓内，一(yī)個(gè)不足3平方米的工(gōng)作台上(shàng)，上(shàng)百個(gè)元器(qì)件(jiàn)看(kàn)似毫無規則地自(zì)由生(shēng)長(cháng)著(zhe)：有的上(shàng)面光(guāng)秃無物(wù)，有的則頂著(zhe)像放(fàng)大鏡模樣的波片，大小(xiǎo)不一(yī)，形态各樣，周邊框梁布滿了光(guāng)纖。很難想象，這就(jiù)是剛剛問世的中國(guó)光(guāng)量子計算(suàn)機(jī)的主體，一(yī)個(gè)甫一(yī)面世就(jiù)成了中國(guó)科技(jì)界乃至世界科技(jì)界的閃耀明星。

    5月(yuè)3日，這台計算(suàn)機(jī)的研制方——中國(guó)科學院量子信息與量子科技(jì)創新研究院在這裡(lǐ)宣布，中國(guó)科學技(jì)術(shù)大學潘建偉院士及同事(shì)陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華研究組，構建了這台基于單光(guāng)子的量子計算(suàn)機(jī)，這是世界上(shàng)第一(yī)台超越早期經典計算(suàn)機(jī)的光(guāng)量子計算(suàn)機(jī)。

    一(yī)時間評價紛至沓來：“中國(guó)科學家再次站在了創新的前沿”“量子計算(suàn)機(jī)，開(kāi)啓新的中國(guó)速度”“量子計算(suàn)将徹底改變人類未來的應用前景”……就(jiù)連這次成果的焦點人物(wù)潘建偉在接受記者采訪時也提到(dào)，“量子計算(suàn)研究就(jiù)像雨後春筍，到(dào)了爆發式發展的關鍵時刻。”那麽這台“中國(guó)造”的量子計算(suàn)機(jī)究竟能(néng)有何能(néng)耐，又(yòu)将為(wèi)我們帶來什麽？中國(guó)青年(nián)報(bào)·中青在線記者采訪了相(xiàng)關專家。

　　自(zì)行車與飛(fēi)機(jī)

　　人們之所以對量子計算(suàn)機(jī)充滿期待，和傳統計算(suàn)機(jī)遭遇的種種問題不無關系：近年(nián)來，傳統計算(suàn)機(jī)逐漸遭遇功耗瓶頸、通(tōng)信瓶頸等一(yī)系列問題，其性能(néng)增長(cháng)越來越困難，探索全新物(wù)理原理的高(gāo)性能(néng)計算(suàn)技(jì)術(shù)的需求應運而生(shēng)。

    量子計算(suàn)機(jī)就(jiù)是科學家嘗試打開(kāi)未來無限可能(néng)性的一(yī)把鑰匙。從(cóng)理論上(shàng)來看(kàn)，量子計算(suàn)機(jī)可以很輕松地“秒(miǎo)殺”傳統經典計算(suàn)機(jī)：曾有人打過一(yī)個(gè)比方，如果現在傳統計算(suàn)機(jī)的速度是自(zì)行車，量子計算(suàn)機(jī)的速度就(jiù)好比飛(fēi)機(jī)。

    而“秒(miǎo)殺”的奧妙就(jiù)在于“量子”二字。

    所謂量子，是指構成物(wù)質的最基本單元，不可分割。人們所熟知的分子、原子、電(diàn)子、光(guāng)子等微觀粒子，都是量子的一(yī)種表現形态。

    潘建偉說，量子有一(yī)種特性，決定著(zhe)它超快的計算(suàn)能(néng)力，這種特性就(jiù)是“量子疊加”。 這是量子世界與經典世界的根本區别——著名的“薛定谔貓”形象地描述了這個(gè)佯謬。在經典世界裡(lǐ)，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一(yī)隻量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀态上(shàng)。

    有了這種疊加的“天性”，量子計算(suàn)也就(jiù)具備了并行的能(néng)力，即可以實現同步計算(suàn)。按照(zhào)科學家的說法，經典計算(suàn)機(jī)在二進制算(suàn)法中隻能(néng)“非此即彼”：要麽是0，要麽是1。但量子計算(suàn)機(jī)卻擁有了“同時存在”的能(néng)力。

    打個(gè)形象的比方，目前我們常用的經典計算(suàn)機(jī)，在提取某個(gè)需要解決的問題時，需要把所有可能(néng)性列舉并驗證一(yī)遍，才能(néng)“找到(dào)”正确的信息，這相(xiàng)當于一(yī)個(gè)擁有雙手的人，一(yī)個(gè)時間段隻能(néng)做一(yī)件(jiàn)事(shì)情；而量子并行計算(suàn)能(néng)夠直接計算(suàn)并提取出相(xiàng)應信息，相(xiàng)當于一(yī)個(gè)擁有2的N次方雙手的千手觀音(yīn)，可以同時做2的N次方雙手可以做的事(shì)情。

    後者速度有多(duō)快，就(jiù)取決于N的指數級增加。

    在5月(yuè)3日的新聞發布會(huì)上(shàng)，潘建偉和與會(huì)者一(yī)起重溫了那個(gè)有關棋盤麥粒的經典故事(shì)——

    在古老的印度，國(guó)王準備獎賞國(guó)際象棋發明人，便問他想要什麽。這位發明人指著(zhe)面前的棋盤，對國(guó)王說：請在棋盤的第1個(gè)小(xiǎo)格，放(fàng)1粒麥子，在第2個(gè)小(xiǎo)格放(fàng)2粒，第3個(gè)小(xiǎo)格放(fàng)4粒，以後每一(yī)小(xiǎo)格都比前一(yī)小(xiǎo)格加一(yī)倍，如此類推當把棋盤上(shàng)64格的麥粒都填滿後，來作給我的賞賜。

    國(guó)王剛開(kāi)始以為(wèi)這很簡單。不料，當人們把一(yī)袋一(yī)袋的麥子搬來開(kāi)始計數時，國(guó)王才發現：就(jiù)是把全印度的麥粒都拿來，也滿足不了那位宰相(xiàng)的要求——如果一(yī)秒(miǎo)鍾數兩粒，要花費(fèi)上(shàng)億年(nián)才能(néng)數完。

    潘建偉說，同樣的道理，随著(zhe)N不斷地變大，量子計算(suàn)機(jī)的計算(suàn)能(néng)力也将呈現指數級的增長(cháng)，一(yī)些經典計算(suàn)機(jī)無法解決的大規模計算(suàn)難題将“迎刃而解”。他以大數因數分解為(wèi)例，經典計算(suàn)機(jī)分解300位的大數需要15萬年(nián)，萬億次量子計算(suàn)機(jī)分解這個(gè)大數，則僅需要1秒(miǎo)鍾。

　　理想與現實

　　按照(zhào)潘建偉的描述，量子計算(suàn)機(jī)也有望在人類社會(huì)的大規模計算(suàn)難題上(shàng)大展拳腳——

    在公共安全領域，量子計算(suàn)可以瞬間處理監控數據庫中60億人次的臉部圖片，并實時辨别出一(yī)個(gè)人的身份；在公共交通(tōng)領域，量子計算(suàn)能(néng)夠迅速對複雜(zá)的交通(tōng)狀況進行分析預判，從(cóng)而調度綜合交通(tōng)系統，最大限度避免道路(lù)擁堵，等等。

    不過，這些目前都還(hái)隻是科學家的“理想”前景，現實中的量子計算(suàn)機(jī)還(hái)遠(yuǎn)沒有達到(dào)這個(gè)應用水(shuǐ)平。

    即便是中國(guó)光(guāng)量子計算(suàn)機(jī)，也隻是打敗了早期的電(diàn)子計算(suàn)機(jī)的速度，比人類曆史上(shàng)第一(yī)台電(diàn)子管計算(suàn)機(jī)和第一(yī)台晶體管計算(suàn)機(jī)運行速度快10倍至100倍，但相(xiàng)比于眼下(xià)的智能(néng)手機(jī)，以及手提電(diàn)腦(nǎo)，“速度上(shàng)要慢(màn)得多(duō)”。

    上(shàng)世紀80年(nián)代初，美國(guó)物(wù)理學家費(fèi)曼提出量子計算(suàn)機(jī)的概念，但經過30多(duō)年(nián)的努力，世界上(shàng)最好的量子計算(suàn)機(jī)也很難完成一(yī)些“看(kàn)似小(xiǎo)兒科”的現實數學問題，以至于對此持懷疑态度的人給出這樣的說法：量子計算(suàn)雖是革命性技(jì)術(shù)，但似乎總是遙不可及。

    如今，事(shì)情似乎有所轉機(jī)。今年(nián)年(nián)初，《自(zì)然》雜(zá)志(zhì)在一(yī)篇以《2017年(nián)将是量子計算(suàn)機(jī)從(cóng)實驗室走進現實》為(wèi)題的文章中說，量子計算(suàn)長(cháng)期以來都被認為(wèi)是20年(nián)以後才會(huì)實現的技(jì)術(shù)。但是，2017年(nián)可能(néng)是這領域改變其“僅限于研究”印象的一(yī)年(nián)。

    這種改變在5月(yuè)3日的中國(guó)上(shàng)海得到(dào)了印證，世界上(shàng)第一(yī)台超越早期經典計算(suàn)機(jī)的量子計算(suàn)機(jī)在這裡(lǐ)問世。

    潘建偉說，科學界有一(yī)種說法，就(jiù)計算(suàn)能(néng)力而言，量子計算(suàn)研究有“三步走”。第一(yī)步是超越首台電(diàn)子計算(suàn)機(jī)的計算(suàn)能(néng)力，第二步是超越商用中央處理器(qì)的計算(suàn)能(néng)力，第三步是超越超級計算(suàn)機(jī)的計算(suàn)能(néng)力。

    如今，潘建偉團隊走完了第一(yī)步。他說，“目前我們實現的隻是其中的第一(yī)步，但這一(yī)小(xiǎo)步卻是重要的一(yī)步。”

    《自(zì)然·光(guāng)子學》審稿人在評價這項成果時表示：“中國(guó)科學家研制出的這台量子計算(suàn)機(jī)，可以說是量子計算(suàn)領域的埃尼亞克（ENIAC）”，後者是世界上(shàng)第一(yī)台電(diàn)子管計算(suàn)機(jī)，開(kāi)辟了經典算(suàn)法計算(suàn)機(jī)的時代。

    中國(guó)這台量子計算(suàn)機(jī)的“裡(lǐ)程碑”意義可見(jiàn)一(yī)斑。

　　追趕與超越

　　事(shì)實上(shàng)，世界各地的實驗室推出實現量子計算(suàn)的方案不少，但實現的難點在于對微觀量子态的“操縱”。目前,潘建偉團隊在3個(gè)很有希望的方向努力推進：光(guāng)子量子計算(suàn)、超冷原子量子計算(suàn)和超導量子計算(suàn)。

    5月(yuè)3日亮相(xiàng)的光(guāng)量子計算(suàn)機(jī)就(jiù)是一(yī)種操縱5個(gè)粒子，即5個(gè)光(guāng)量子比特的量子計算(suàn)原型機(jī)。根據量子理論，量子計算(suàn)機(jī)的計算(suàn)能(néng)力将随著(zhe)可操縱的粒子數增加而呈現大幅增長(cháng)。

    中國(guó)科學技(jì)術(shù)大學教授陸朝陽告訴記者，該團隊接下(xià)來的目标是，在今年(nián)年(nián)底實現大約20個(gè)光(guāng)量子比特的操縱，并緻力于20個(gè)超導量子比特樣品的設計、制備和測試。

    那時，量子計算(suàn)機(jī)的計算(suàn)速度将接近目前最好的商用中央處理器(qì)——也就(jiù)是前面所說的“第二步”，追趕上(shàng)目前手提電(diàn)腦(nǎo)的速度。陸朝陽說，到(dào)2020年(nián)，希望能(néng)夠達到(dào)50個(gè)左右量子比特的操縱，屆時有可能(néng)實現“第三步”的突破，即超越超級計算(suàn)機(jī)。

    此前，美國(guó)加州理工(gōng)學院的物(wù)理學家約翰·普瑞斯基爾提到(dào)了一(yī)個(gè)詞，叫“量子稱霸”，大意是說，當量子計算(suàn)機(jī)擁有5到(dào)20個(gè)量子比特時，能(néng)完成頂級超級計算(suàn)機(jī)所能(néng)完成的事(shì)情，而一(yī)旦擁有超過49個(gè)左右量子比特後，量子計算(suàn)機(jī)的能(néng)力将讓超級計算(suàn)機(jī)望塵莫及。

    “這是被稱為(wèi)‘量子稱霸’的任務，科學家最初設計這個(gè)問題的動機(jī)就(jiù)是為(wèi)了顯示量子計算(suàn)機(jī)的能(néng)力，跟經典的計算(suàn)機(jī)競賽，看(kàn)看(kàn)誰跑得快。”陸朝陽說。

    潘建偉說，未來10年(nián)之内，科學界很有可能(néng)做到(dào)100量子比特的操縱，屆時，其計算(suàn)能(néng)力可能(néng)比目前最強大的超級計算(suàn)機(jī)還(hái)要快百億億倍。

    再進一(yī)步預測，潘建偉說，如果将來能(néng)夠做到(dào)1000個(gè)量子以上(shàng)，科學家也許就(jiù)可以研究意識是怎麽産生(shēng)的，或許能(néng)催生(shēng)強大到(dào)無法想象的人工(gōng)智能(néng)。

    不過那時，普通(tōng)民(mín)衆很可能(néng)還(hái)是用不上(shàng)量子計算(suàn)機(jī)。潘建偉說，以現有的手機(jī)終端為(wèi)例，可以通(tōng)過雲計算(suàn)平台，把需要完成的計算(suàn)任務送到(dào)雲端，讓後台的量子計算(suàn)機(jī)來完成。

    他也承認，正如古代發明算(suàn)盤的人不會(huì)想到(dào)今天的計算(suàn)機(jī)一(yī)樣，他也難以準确地預測未來量子計算(suàn)機(jī)的巨大能(néng)量，一(yī)切隻能(néng)拭目以待。