文章來源：中國科普博覽

　　科技部973項目“量子通信和量子信息技術”的首席科學家郭光燦院士日前表示，中國的量子計算機發展，明顯落后美國，軟件、材料幾乎沒有人做。“十三五”重大研究計劃，量子計算機應當“三駕馬車”一起發展，硬件、軟件、材料三個都要布局。

　　在談到實際可用的量子計算機究竟什么時候能做出來時，郭光燦稱，中國和歐洲估計需要15年，美國認為會更快，美國目前的發展確實也更快。盡管落后，畢竟量子計算機尚未研制成功，我們仍有機會，只是時間已越來越緊迫。

　　郭光燦院士是在“紀念HPC@CAS20周年學術研討會”上的報告中作出以上表述的。29日，中國科普博覽將報告主要內容編輯整理成文，并經郭光燦院士審閱。觀察者網轉載全文如下：

　　一、“杞人憂天”的物理學家們與量子計算機的誕生

　　量子計算機的誕生，和著名的摩爾定律有關，還和“杞人憂天”的物理學家們有關。

　　眾所周知，摩爾定律的技術基礎是不斷提高電子芯片的集成度（單位芯片的晶體管數）。集成度不斷提高，速度就不斷加快，我們的手機、電腦就能不斷更新換代。

　　在20世紀80年代，摩爾定律很貼切地反映了信息技術行業發展。但“杞人憂天”的物理學家們，卻提出了一個“大煞風景”的問題：

　　摩爾定律有沒有終結的時候？

　　之所以提出這個問題，是因為摩爾定律的技術基礎，天然地受到兩個主要物理限制。

　　一是巨大的能耗，芯片有被燒壞的危險。

　　芯片發熱主要是因為計算機門操作時，其中不可逆門操作會丟失比特。物理學家計算出每丟失一個比特所產生的熱量，操作速度越快，單位時間內產生的熱量就越多，計算機溫度必然迅速上升，必須消耗大量能量來散熱，否則芯片將被燒壞。

　　二是為了提高集成度，晶體管越做越小，當小到只有一個電子時，量子效應就會出現。電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應，本來無法穿過的壁壘也穿過去了，所以量子效應會阻礙信息技術繼續按照摩爾定律發展。

　　這兩個限制就是物理學家們預言摩爾定律會終結的理由所在。

　　[隧道效應：由微觀粒子波動性所確定的量子效應，又稱勢壘貫穿。本質上是量子躍遷，粒子迅速穿越勢壘。在勢壘一邊平動的粒子，當動能小于勢壘高度時，按照經典力學，粒子是不可能越過勢壘的；而對于微觀粒子，量子力學卻證明它仍有一定的概率貫穿勢壘，實際也正是如此，這種現象稱為隧道效應。]

　　雖然這個預言在當時沒有任何影響力，但“杞人憂天”的物理學家們并不“死心”，繼續研究，提出了第二個問題：

　　如果摩爾定律終結，在后摩爾時代，提高運算速度的途徑是什么？

　　這就導致了量子計算概念的誕生。

　　量子計算所遵從的薛定諤方程是可逆的，不會出現非可逆操作，所以耗能很小；而量子效應正是提高量子計算并行運算能力的物理基礎。

　　甲之砒霜，乙之蜜糖。對于電子計算機來說是障礙的量子效應，對于量子計算機來說，反而成為了資源。

　　量子計算的概念最早是1982年由美國物理學家費曼提出的。1985年，英國物理學家又提出了“量子圖靈機”的概念，之后許多物理學家將“量子圖靈機”等效為量子的電子線路模型，并開始付諸實踐。

　　但當年這些概念的提出都沒有動搖摩爾定律在信息技術領域的地位，因為在相當長時間內摩爾定律依然在支撐著電子計算機的運算速度的飛速提高。

　　直到今年，美國政府宣布，摩爾定律終結了。微電子未來的發展方向是低能耗、專用這兩個方向，而不再是追求速度。

　　從這個例子，人們再次看到，基礎研究可能在當時看不到有什么實際價值，但未來卻會發揮出巨大作用。

　　二、量子計算機雖然好，研制起來卻非常難

　　量子計算機和電子計算機一樣，其功用在于計算具體數學問題。

　　所不同的是，電子計算機所用的電子存儲器，在某個時間只能存一個數據，它是確定的，操作一次就把一個比特（bit，存儲器最小單元）變成另一個比特，實行串行運算模式；而量子計算機利用量子性質，一個量子比特可以同時存儲兩個數值，N個量子比特可以同時存儲2的N次方數據，操作一次會將這個2的N次方數據變成另外一個2的N次方數據，以此類推，運行模式為一個CPU的并行運算模式，運行操作能力指數上升，這是量子計算機來自量子性的優點。量子計算本來就是并行運算，所以說量子計算機天然就是“超級計算機”。

　　要想研制量子計算機，除了要研制芯片、控制系統、測量裝置等硬件外，還需要研制與之相關的軟件，包括編程、算法、量子計算機的體系結構等。

　　一臺量子計算機運行時，數據輸入后，被編制成量子體系的初始狀態，按照量子計算機欲計算的函數，運用相應的量子算法和編程，編制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作變換，將量子計算機的初態變成末態，最后對末態實施量子測量，讀出運算的結果。

　　一臺有N個量子比特的量子計算機，要能保證能夠實施一個量子比特的任意操作和任意兩個量子比特的受控非操作，才能進行由這兩個普適門操作的組合所構成的幺正操作，完成量子計算機的運算任務。這是量子芯片的基本要求。如果要超越現有電子計算水平，需要多于1000個量子比特構成的芯片。目前還沒有這個能力做到。這種基于“量子圖靈機”的標準量子計算是量子計算機研制的主流。

　　除此以外，還有其他量子計算模型，如：單向量子計算，分布式量子計算，但其研制的困難并沒有減少。另外，還有拓撲量子計算，絕熱量子計算等。

　　由于對硬件和軟件的全新要求，量子計算機的所有方面都需要重新進行研究，這就意味著量子計算是非常重要的交叉學科，是需要不同領域的人共同來做才能做成的復雜工程。