量子計算時代即將開始

近些年，量子計算髮展火爆，我們彷彿已經可以聽到火山爆發前岩層的積壓粉碎之聲。越來越多的學者宣稱量子計算機即將成為現實。按照目前發展趨勢來看，本世紀末將會開啟“量子計算”時代。

比如說，10月24日，《自然》雜誌刊發了谷歌公司的一篇論文。谷歌在該論文中表示，其開發出一款54量子位元數（其中53個量子位元可用）的超導量子晶片“Sycamore”。基於Sycamore，谷歌對一個53位元、20深度的電路取樣一百萬次只需200秒。而目前最強的經典超級計算機Summit要得到類似的結果，則需要一萬年。基於這一突破，谷歌宣稱其率先實現了“量子霸權”。

儘管谷歌的這一個論斷很快就遭到了同樣在量子計算領域深耕的IBM公司的質疑，但是不可否認的是，量子計算實用的可能性已經比以往更加真實地貼近了我們的時代。

那麼，量子計算的時代將會有怎樣的變化呢？量子計算的發展將從根本上重新定義計算這件事，我們所學的每一個演算法都可能要重寫，我們在這個領域所取得的所有學位都可能需要回爐重塑，已經取得的成果也將翻篇。

現在的區塊鏈和加密數字貨幣普遍依賴 256 位的雜湊函式和非對稱加密方案。但對於經典的馮諾依曼計算機體系，即便我們調動全球的算力，破解一個密碼、或者尋找一次雜湊碰撞也需要耗費數萬年的時間，而量子計算機技術可以將時間大大縮減。

微軟副Quattroporte、量子計算部門的負責人 ToddHolmdahl 曾透露，微軟將會在五年內造出第一臺擁有 100 個拓撲量子位元的量子計算機，並且將其整合到 Azure 當中。這 100 個拓撲量子位元的計算能力，最高可以相當於 1000 個邏輯量子位元，這意味著 5 年之內，微軟就可以用量子計算機解決很多實際問題了。微軟的發展速度如此之快，快到向所有開發者亮起警報。

量子計算的三大優勢

第一個優勢是獨特的路線，即採用“拓撲量子位元（Topologicalqubit）”進行計算取代普通的“邏輯量子位元（logicalqubit）”。

常規的量子計算使用一種所謂“邏輯量子位元”來編寫程式，雖然物理學家已經找到符合要求的基本物理粒子，但這種量子計算機很難形成大規模。在傳統架構下，量子位元的數量一旦增多，就會導致錯誤率急劇上升。

而拓撲量子位元則完全不同，它是通過基本粒子的拓撲位置和拓撲運動來處理資訊的。用拓撲量子位元進行計算，對於外界的干擾有極強的容錯能力。這樣一來，基於拓撲量子位元的計算機可以把規模做得更大，能力做得更強。只要量子位元數量足夠，100 秒內就可以破解2048 位的 RSA 密碼。

高量子位元的量子計算機對於機器學習的優化任務來說同樣是一個巨大的優勢。Todd 團隊曾對北京市的交通進行了一個優化測試，排程所有的機動車和交通設施來達成某一個特定的交通目標， Todd 團隊利用量子計算的演算法，將本來需要花費數個小時才能訓練出來的模型，用了區區 200 毫秒就訓練出來，整整提速 4000 倍。如果配備在未來裝備了 Brainwave 晶片（微軟新推出的基於 FPGA技術的 AI 晶片）的機器上，速度可以更快。

第二個優勢是將未來的量子計算機與 Azure 整合，使之成為 Azure 的一部分。

微軟 CEO Satya Nadella 曾明確表示，Azure 的願景是成為全球計算機。毫無疑問，如果五年之後，Todd團隊研發出來的量子計算機被加入到 Azure 之中，那就意味著全世界的 Azure 使用者都有機會使用這臺量子計算機解決問題。

第三個優勢是開發工具整合。

正所謂，兵馬未動，糧草先行。微軟已經推出了 Q#量子計算程式語言，並整合到 Visual Studio 當中。同時提供了本地和雲上的量子計算機模擬器，實現在經典的計算機體系結構上嘗試量子計算。

總之，一切都來得比預想的要快。Todd 預測，下一代人將註定會在量子計算時代工作和生活。

矽量子技術春天到來

隨著計算機領域的不斷進步，矽晶片已經逐漸開始成熟。據英國每日科學網站近日報道，來自德國、美國和加拿大的科學家攜手，首次證明了量子計算機相對傳統計算機的優勢是非定域性表現更加明顯。

非定域性一方面讓石墨烯更有可能作為二維半導體材料，另一方面也促使材料學者大膽設想小心求證，最終研製出了半導體原型器件。正因為基於經典的控制電子技術的成功應用，讓這種證明的方法也適用於基於資訊載體而非捕獲離子的量子計算平臺。

採取矽電晶體開發量子位將更有發展優勢，因為矽量子位的可靠性更高。基於量子的疊加態與糾纏特性，量子計算機將為人們展現出最具威力的量子資訊應用。

現在，首臺採用傳統計算機矽晶片製造技術的量子計算機已由英特爾公司研製成功，並交付給了合作伙伴——位於荷蘭代爾夫特理工大學的研究機構。英特爾的這臺低調裝置昭示矽量子技術春天的到來。

眾多科學家表示，從英特爾的成功上我們在矽路線上看到了希望。此外，早在2018年的5月，澳洲的西蒙斯就創立了企業矽量子計劃，澳洲政府還供給了資金支援。

在拓撲相變和拓撲材料領域的研究中，三位在英國出生、美國工作的科學家已經預言了“量子自旋霍爾效應”理論，並且對實驗觀測領域做出了開創性貢獻，這對於未來計算機發展是一個強有力的基礎。

在這樣的背景下，IBM的理論物理學家戴維·文森佐和瑞士巴塞爾大學的丹尼爾·魯斯，通過架構創新推動半導體行業發展，在人工智慧時代採用創新方法，動態重構計算晶片技術，讓硬體架構和功能能夠隨著軟體的變化而變化，從而實現軟體定義晶片，可以推動摩爾定律持續前行。

鑑於此，近年來，西蒙斯擔任掌門人的新南威爾士大學量子計算和通訊技術中心做了大量基礎工作，他們開發了一種只需要極少控制導線的製造技術，可避免量子裝置擴大後不可避免的擁擠問題。

在其他團隊取得突破性進展的同時，中國科學技術大學代爾夫研究團隊在基於超導線路體系的量子計算研究領域也取得重大成果，實現了9個超導量子位元的高精度操縱。此外，英特爾公司和谷歌公司展開合作，為國家航空航天局代爾夫研究中心安裝第一臺量子計算機，未來這臺矽晶片計算機將應用於破譯密碼範疇。

近日有媒體報道稱，美國哈佛大學克拉克工程與應用科學學院（seas）科學家成功實現在超導材料內傳輸電子自旋資訊，量子計算的一大主要挑戰即將被征服。而西蒙斯計劃預計將會在未來5年內建造一臺10個矽量子位的計算機。當然，這項研究的進展仍不及谷歌和IBM，這兩家公司分別製造了72量子位元和50量子位元的處理器。

不同之處在於，西蒙斯他們所實現的量子計算是迄今為止速度最快的量子計算，他們在2018年完成了矽原子量子位元之間的第一個雙量子位元門，這是該研究團隊建造原子尺度量子計算機的一個重要里程碑，這項關鍵性的研究2019年7月17日發表在世界著名《自然》期刊上。雙量子位門是任何量子計算機的核心組成部分，新南威爾士大學團隊這一版本是矽材料中最快的，在0.8納秒內完成一個操作，比現有基於自旋的雙量子位門快200倍。

不過，隨著量子處理器硬體層面的加強，以及陸續實現的對更多量子位的支援，這為未來矽量子晶片的發展提供了很大的成長空間，現在一臺能夠滿足全人來計算需求的超級量子計算機的出現讓更多人了解到矽量子計算的優勢。

量子計算的黃金時代即將到來，它將為運算帶來指數級加速，但無人知曉，最終哪種量子位能脫穎而出，助人類研製出最強大的實用型量子計算機，只有時間能告訴我們答案，讓我們拭目以待。