文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé
編輯|Meister Xia
一覽：
- 與傳統(tǒng)計算機不同，量子位可以同時代表0和1。由于它們的疊加狀態(tài)，可以做并行計算，從而加快復雜問題的求解。
- 目前，量子處理器仍處于研發(fā)階段：它占用的體積太大，控制量子位所需的光學系統(tǒng)，包括激光器、透鏡和鏡子等設備都過于復雜。
- 現(xiàn)有硬件不成熟導致計算無法完成、發(fā)生錯誤的情況，量子計算機必須能自我糾正，才能實現(xiàn)正常運行。
- 量子計算機短期內不會取代個人電腦或智能手機。第一批用戶將是政府部門和大企業(yè)，而非普通大眾。
量子計算機的運算以量子位為基礎。量子位不同于標準的計算機二進制位，其值可以是0或1，也可以是0和1的疊加。這一特性意味著，在某些計算任務上，量子計算機可能比傳統(tǒng)計算機快得多，能解決傳統(tǒng)計算機無法解決的一些問題。
巴黎綜合理工學院教授Landry Bretheau解釋道：“量子計算機可在大規(guī)模疊加狀態(tài)下操縱許多量子位，例如 0000 加 1111。在這種‘糾纏’狀態(tài)下，可以并行進行多個計算。舉個具體的例子——計算走出迷宮的路徑問題。你會怎么做呢？人類或計算機程序會一一嘗試不同的可能路徑。每次到達死胡同就原路返回。如此這般反復嘗試，去測試所有可能的路徑，直到走出迷宮。由于量子系統(tǒng)可以處于疊加狀態(tài)，即它可以同時處于迷宮的多個位置，因此它可以嘗試并行探索所有不同的路徑，以更快地逃離迷宮?！?/p>
量子位構建的平臺和材料有多種選擇：可以在超導計算機中構建量子位，也可以有基本粒子量子位，或捕獲離子量子位。光子量子處理器也是一種可能，但此類技術目前還在開發(fā)中。法國量子技術企業(yè)Pasqal首席技術執(zhí)行官Loc Henriet 解釋道：“雖然我們常說量子計算機，但更準確的稱呼應該是量子處理器，因為整個計算不能全部在量子計算機上實現(xiàn)，它只能完成其中的一小部分，還必須用傳統(tǒng)處理器來協(xié)調計算的所有步驟?！?/p>
目前，量子處理器仍處于實驗階段。首先，它占用空間太大。Henriet團隊正在研制的量子處理器尺寸為3米×2米×2米。另外，它需要10-11mbar的極高真空才能將量子位放置在準確的位置，相當于月球表面的氣壓。
控制量子位所需的光學器件包括激光器、透鏡和鏡子，這些設備都很復雜。為了協(xié)調不同設備組成的硬件協(xié)同操作，需要機載軟件，也就是量子處理器的操作系統(tǒng)。
01 量子計算潛在應用領域
在許多方面，無論是在計算時間還是計算結果精度，量子計算機都比傳統(tǒng)計算機優(yōu)越。一個十分典型的例子是用量子計算機運行Shor算法，該算法能將大數(shù)字有效地分解為質因子，在密碼學和計算機安全領域很有用。量子計算機還擅長利用特殊算法來解決復雜的優(yōu)化問題，例如與調度、路線和物流相關的問題，從大量可能性中找到最佳解決方案。在多個城市之間尋找最短路線的“旅行推銷員”問題，量子計算機能迎刃而解，未來的物流配送企業(yè)必定有意愿使用。
量子計算機也能解決與分子化學反應性相關的問題。Henriet 解釋道：“分子化學領域正在進行大量的研究。借助量子處理器，能更有效計算分析蛋白質的反應性，促進制藥工業(yè)發(fā)展和新藥物合成。新材料的特性同樣可用量子計算機分析，加快它們在各種技術領域的應用?！?/p>
機器學習和人工智能是量子計算機的又一重要應用領域。量子計算機有望通過提供更快、更有效的優(yōu)化例程或開拓新模型架構，改進機器學習算法甚至實現(xiàn)技術突破，開辟巨大新市場。當然，這一切前提是量子計算機實現(xiàn)量產(chǎn)，相應的算法和應用程序順利開發(fā)，以充分發(fā)揮量子計算的獨特優(yōu)勢。
02 “通用性”的實現(xiàn)
量子計算機的實際應用，還有賴于“通用性”的實現(xiàn)——現(xiàn)有硬件不成熟導致計算無法完成、發(fā)生錯誤的情況，計算機必須能自我糾正。導致錯誤的主要原因是量子位本身的退相干破壞了量子位的量子特性，并使其返回到經(jīng)典位的狀態(tài)。退相干是量子位與其環(huán)境的相互作用引起的，避免方式是有效隔離系統(tǒng)，但這是個技術難關。量子位通常必須在接近絕對0度的溫度下運行，才能保證相互隔離并與環(huán)境隔離。不過，“容錯量子計算”也可以使用量子糾錯（QEC）技術來實現(xiàn)：使用大量量子位來創(chuàng)建“邏輯量子位”，減少錯誤。
據(jù)專家介紹，真正的“量子優(yōu)勢”或者“量子超能”只有在運行一百萬個量子位的量子計算機里才能實現(xiàn)，但目前的最高記錄還不到100個量子位，所以未來研發(fā)還有很長的路要走。
03 未來主要挑戰(zhàn)
雖然大規(guī)模量子計算機的研發(fā)不存在理論障礙，但在技術上有亟需攻克的重大挑戰(zhàn)。Henriet 解釋道：“高科技企業(yè)已將量子計算視為一項戰(zhàn)略投資，不想錯失良機。量子處理器必將成為未來IT解決方案中不可或缺的部分，唯一的問題只是多久以后?！?/p>
量子技術革命即將掀起，法國學術資源豐富、企業(yè)發(fā)達、創(chuàng)業(yè)界活躍，必能把握住浪潮，走在前列。當然，最終的成效也取決于終端客戶和企業(yè)的反響和接受度。
“過去五年間，量子計算熱度顯著增加?！?/p>
不過，量子計算機短期內不會取代個人電腦或智能手機，第一批用戶將是政府部門和大型企業(yè)，而不是公眾。Bretheau教授補充道：“科研界本身也是第一批用戶?；瘜W、材料科學、生物學、物理學等學科都躍躍欲試，期待著用量子計算算法解決各自的難題。過去五年間，量子計算熱度顯著增加。由于涌現(xiàn)了一大批初創(chuàng)企業(yè)和大型募資項目，有人將現(xiàn)階段稱為‘量子技術昌盛期’。”
美國的兩家量子企業(yè)PsiQuantum和IonQ就分別籌集了高達6億歐元和4億歐元的投資。“2021年，馬克龍總統(tǒng)宣布啟動法國量子技術國家戰(zhàn)略。從資本角度來看，目前法國最順風順水的初創(chuàng)企業(yè)是Pasqal，不久前籌集了1億歐元的資金?！?/p>
盡管未來十年內還無法構建一臺可運行、可容錯的量子計算機，但研發(fā)的過程肯定會帶來意想不到的發(fā)現(xiàn)，具有廣泛的潛在用途，甚至改變社會的面貌，就像近五十年來的經(jīng)典計算機和互聯(lián)網(wǎng)。
Bretheau教授表示：“如今，量子計算行業(yè)蓬勃發(fā)展，令人激動的新發(fā)現(xiàn)層出不窮，在這一領域工作，現(xiàn)在的時機再好不過。”