“量子計(jì)算可能正處于與人工智能（AI）相似的發(fā)展曲線上。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院執(zhí)行院長(zhǎng)陸朝陽(yáng)日前在以《激動(dòng)人心的量子革命》為主題的首場(chǎng)“好望角”科學(xué)沙龍上表示。
量子計(jì)算是一種基于量子力學(xué)原理調(diào)控量子比特進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)具有指數(shù)級(jí)的計(jì)算能力優(yōu)勢(shì)，對(duì)廣泛使用的公鑰算法構(gòu)成重大威脅。
陸朝陽(yáng)認(rèn)為，目前量子計(jì)算已跨過(guò)原理演示的第一發(fā)展階段，進(jìn)入解決現(xiàn)有知識(shí)框架和算力所不能及問(wèn)題的第二階段，即實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。
2019年，谷歌宣布研制出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，在全球首次實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。近年來(lái)，中國(guó)產(chǎn)出了“九章號(hào)”“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)先成果，成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。
“自2019年谷歌的量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)以來(lái)，雖然國(guó)際上有數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行量子計(jì)算研究，但真正能夠進(jìn)入第二階段，即在特定問(wèn)題上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的，目前只有少數(shù)幾個(gè)。除了九章三號(hào)，還有加拿大量子計(jì)算初創(chuàng)公司Xanadu與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）合作的北極光實(shí)驗(yàn)。”陸朝陽(yáng)表示。
“在實(shí)現(xiàn)第二階段后，我們希望探索近期內(nèi)的小規(guī)模量子計(jì)算。即使是小規(guī)模，也希望它們具有實(shí)用價(jià)值。”陸朝陽(yáng)稱，在他們看來(lái)，量子計(jì)算機(jī)可以被視為一種新型工具，它在科學(xué)發(fā)展中的作用與物理學(xué)家創(chuàng)造的其他工具相似，能夠極大地推進(jìn)了科學(xué)的進(jìn)步。例如，冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究，而X射線衍射技術(shù)則為揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了關(guān)鍵手段。
量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展既與基礎(chǔ)科學(xué)相關(guān)，也與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密相連。陸朝陽(yáng)認(rèn)為，量子計(jì)算首先要發(fā)展高精度、高效率的量子態(tài)制備與相干操縱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量子比特的糾纏，在此基礎(chǔ)上對(duì)特定問(wèn)題超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)；其次，實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑目標(biāo)和具有有應(yīng)用價(jià)值的專用量子模擬機(jī)；最后，不斷提升量子態(tài)精度和效率，探索通過(guò)量子糾錯(cuò)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的大規(guī)模通用量子計(jì)算機(jī)這一遠(yuǎn)期目標(biāo)。
“谷歌的量子芯片展示了即使在小規(guī)模量子系統(tǒng)中，如果沒(méi)有量子糾錯(cuò)，系統(tǒng)性能也會(huì)因指數(shù)衰減而迅速下降，即使是53個(gè)量子比特的芯片，經(jīng)過(guò)50個(gè)量子比特和20層邏輯門的操作后，輸出保證度降至千分之二。”陸朝陽(yáng)稱，“這表明量子糾錯(cuò)是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。”
目前，已有多種不同的量子糾錯(cuò)方案被提出，如表面碼和Reed-Muller碼等。陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)也在探索不同的方向。
“在國(guó)家2030計(jì)劃的支持下，我們發(fā)展室溫下的量子計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單光子間的強(qiáng)相互作用，以及將單光子源轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧釉矗霉忤嚰夹g(shù)操縱原子，實(shí)現(xiàn)邏輯門操作。我們還探索了使用邏輯比特來(lái)抵抗噪聲影響，通過(guò)物理比特編碼邏輯比特，實(shí)現(xiàn)邏輯比特間的相互作用。此外，我們還利用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行量子模擬，探索難以用傳統(tǒng)方法模擬的物理現(xiàn)象，如高溫超導(dǎo)。我們使用人造原子來(lái)研究這些現(xiàn)象，以期獲得更深入的理解。”
