前沿｜美国量子计算技术发展及对策研究（之一）——量子理论和量子计算技术发展即将出现新的突破
近十余年来，量子计算技术无论在理论还是应用方面都取得显著进步。研究者们普遍估计，量子计算将在不久的将来实现质的突破，并可能引发下一场科学技术革命。美国更是将量子技术视作为确保未来国家影响力而必须开拓的“新边疆”，投入大量资源进行量子物理基础理论及量子计算研究。尽管这些工作短期内并不可能取得的成果，但通过长期的全面布局和积极协调的推进，美国在相关研究和应用领域已经逐步呈现破局之势，必将在未来产生深远影响。
量子理论的产生和发展始终伴随着不断的质疑和争论，其所提示的规律与人类直觉常识存在直接冲突。量子计算理论奠基者之一，著名物理学家理查德·费曼曾表示，“如果你觉得懂量子力学，那么你就不懂量子力学”。经过一个多世纪的发展，量子理论不仅不断在实验中验证其客观性，而且展现出极其强大社会进步推动力。
量子应用技术即将进入崭新发展阶段
量子理论起源于上世纪初，为解决经典物理理论无法解释微观世界现象的问题，著名科学家马克斯·普朗克在1900年首先提出了“量子”概念。在此之后，大量科学家通过不懈的努力逐步建立起量子力学理论框架。尽管科学界至今仍然认为量子理论的根本性阐释不够完善，但是在过去的一个世纪，在量子理论基础上发展起来的半导体微电子和光通信技术却成为信息时代来临的根本推动力。量子理论实际上为当代世界发展和繁荣奠定了基础。
如果说量子理论引发了一场席卷全球的技术革命，那么进入21世纪，这场革命将进入全新的发展阶段，转折发生的契机就是一种新型跨学科领域的诞生：量子力学和信息科学融合而成的量子信息科学。目前量子理论的应用还是仅仅局限于宏观世界，应用的对象依然是电流和光等经典物理量，而不能直接操纵电子、光子等微观粒子。换言之，量子理论的“外围应用技术”不断发展成熟，而直接利用量子世界不确定性的应用技术尚未真正出现。但随着特定领域的经典物理技术发展达到极限，真正触及量子理论核心的技术应用必将成为各国争相发展的重点领域。
量子效应决定着“摩尔定律”必将走向终结
近年来，现代计算机芯片中集成度的增长逐步达到极限。目前投入市场的主流芯片使用的是14纳米技术，个位数纳米级别芯片也已经实验成功，即将实现工业生产和商业应用。但根据量子力学原理，传统半导体晶体管栅极线宽的极限值约为5纳米，当超出这种保持电子稳定所需结构的极限时，量子隧穿效应将不可避免地干扰电子元件的运行。尽管有研究团队宣布通过特殊材料和手段可以在实验室中将晶体管制程缩减到 1 纳米，但此类技术只能在有限范围内对强化传统芯片性能，无法阻止“摩尔定律”未来必将被打破的趋势 。
当现代计算机芯片在经典物理领域内无法进一步提升结构性能时，计算技术的发展总体上存在两条路径：研究探索有别于当前计算机架构的新型结构，或者继续深入研究量子力学规律并使其直接应用于计算的技术。前一种方案将抛弃当前计算机所遵循的冯·诺依曼架构，采用诸如神经元结构重新组织芯片运行方式，但是采取的依然是当前使用的CMOS芯片；后者将改变芯片的基本结构，直接利用量子叠加态实现传统计算机功能，这种方案的前提假设是未来新型计算机依然基于数字化“逻辑门”。
无论未来高性能计算系统采取哪种方案（很有可能是二者并行发展），世界各国量子计算技术的研发竞争都不可能减弱。因为尽管存在大量严峻挑战，量子计算关系着国家未来发展的基础计算能力，根本不可能依靠外力支持发展。而量子计算技术一旦形成突破，就会产生颠覆性创新效应，使掌握这种能力的国家将迅速建立起全方位优势。
量子计算技术的巨大潜力与面临的关键挑战
量子计算系统强大性能来源于具备特殊属性的量子比特。经典计算机的最小数据处理单位是比特，其在工作时将所有数据排列为一个比特序列，对其进行串行处理；而量子计算机使用量子比特，基于量子叠加态和量子纠缠效应，量子计算机本质上具备并行处理能力，理论上其计算能力可随着量子比特位数的增加呈指数增长。在某些领域中，拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过目前世界上最先进的超级计算机“天河二号”。 如果达到实际应用水平，量子计算机能够将某些经典计算机需要数万年处理复杂问题的运行时间缩短为几秒钟。
研制量子计算机的关键就在于量子比特的制备方式。量子比特高度不稳定，外界任何微弱的环境变化都可能对其造成破坏性影响。因此，量子计算机的核心部件通常处于比太空更加寒冷的密封环境中，防止受到其他粒子、电磁场、温度等因素的干扰。量子比特的制备方式存在多种方案，但无论是“超导型量子逻辑门”、“离子阱量子门”还是“半导体量子点”，目前都无法制造并长时间保持高质量的量子比特，从而以一种可控制的方式对不同类型任务进行编程。但是近年来，相关研究项目的突破已经为量子计算机奠定了坚实的软、硬件基础，通用型量子计算机即将在不远的将来成为现实。
作者：知远战略与防务研究所网络力量研究中心助理研究员 武获山
本文转载自“知远战略与防务研究所”微信公众号
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