劉興亮 | 極簡量子計算發(fā)展史

量子計算作為下一代信息技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域，其發(fā)展歷程充滿了科學(xué)家的智慧結(jié)晶與技術(shù)突破。本文將帶您回顧量子計算從理論構(gòu)想走向現(xiàn)實應(yīng)用的精彩歷程。

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量子計算的基本原理

量子是物理學(xué)家普朗克提出的物質(zhì)概念，假設(shè)一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。由此可以設(shè)想，世界的微觀體系就是由量子構(gòu)成。

普朗克的理論讓物理學(xué)進入了浩瀚宇宙的微觀領(lǐng)域，發(fā)展出量子力學(xué)、量子光學(xué)等分支，引爆了現(xiàn)代工業(yè)文明的進一步發(fā)展，量子計算也算其中之一。

要弄清，量子計算不是簡單做算術(shù)題，它是人為構(gòu)造并操縱一個可編程的量子系統(tǒng)，其目的是構(gòu)造一種演化路徑，使「正確答案的概率結(jié)構(gòu)」顯現(xiàn)出來。這種計算方式與人工智能中的「梯度下降」（降低誤差函數(shù)）有相似之處，都是在復(fù)雜系統(tǒng)中尋找最優(yōu)解。

量子計算的核心優(yōu)勢源于量子比特的獨特性質(zhì)。與傳統(tǒng)計算機使用0或1的比特來存儲信息不同，一個量子比特可以同時處于01兩種狀態(tài)的相干疊加。推而廣之，n個量子比特便可表示2^n個數(shù)的疊加，使得一次量子操作原理上可以同時實現(xiàn)對2^n個疊加的數(shù)進行并行運算。

由此也容易理解，量子計算與經(jīng)典計算的區(qū)別不僅是算力上的巨大差異，更是結(jié)構(gòu)性差異：經(jīng)典計算的狀態(tài)空間是線性增長，量子系統(tǒng)的狀態(tài)空間是指數(shù)增長。當(dāng)量子比特數(shù)足夠大（例如達到250個）時，量子計算機能夠存儲的數(shù)據(jù)量比宇宙中所有原子的數(shù)目還要多。

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量子計算的直觀理解

上述說法都很科學(xué)，但是不太好理解。那么如何更直白地理解量子計算呢？

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽用一個生動的「走迷宮」比喻來解釋：傳統(tǒng)計算機走迷宮，每次只能選擇一條路去嘗試，如果失敗了，就只能從頭再來。但是量子計算機走迷宮，就好比同時有10個人一起嘗試不同的路，瞬間就把所有可能都嘗試一遍，很快就能找到那條正確的路。

另一個淺顯易懂的例子是山體水流模型：如果山體只有一條溝渠（傳統(tǒng)計算），水流路徑是確定的；而實際山體有眾多溪流河道（量子疊加態(tài)），需要同時計算所有水流的復(fù)雜交互。量子計算就是要優(yōu)化這些「溪流河道」的配置，找到最佳解決方案，這種計算是指數(shù)級的。

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量子計算的發(fā)展里程碑

量子計算對算力的要求巨大，其作用也極其復(fù)，尤其是在人工智能時代，作為工具前景廣闊。現(xiàn)在我們就來簡單回顧一下量子計算的發(fā)展歷程。量子計算的發(fā)展經(jīng)歷了從理論奠基到技術(shù)突破的多個關(guān)鍵階段：

1980-1981年：理論奠基

美國物理學(xué)家保羅·貝尼奧夫首次提出了量子版的圖靈機概念。隨后，物理學(xué)家理查德·費曼在1981年提出利用量子計算機模擬量子現(xiàn)象的想法，開啟了人們對量子計算的正式興趣。

1985-1994年：理論突破

戴維·德意志提出了「通用量子計算機」概念。1994年，彼得·肖爾提出了著名的Shor算法，能有效分解大數(shù)，對現(xiàn)有加密技術(shù)構(gòu)成了威脅，促使各國政府和軍方開始高度重視量子計算。

1995-1997年：糾錯突破

彼得·肖爾和安德魯·斯蒂恩等人發(fā)現(xiàn)了量子糾錯，為容錯量子計算奠定了理論基礎(chǔ)。沒有量子糾錯，量子計算將因噪聲干擾而無法實際應(yīng)用。

1998-2018年：實驗進展

1998年，研究人員首次在兩量子比特系統(tǒng)上實現(xiàn)了Grover算法。2011年，加拿大公司D-Wave發(fā)布了首款商用量子計算機。2016年，IBM向公眾開放云端量子計算服務(wù)。

2019年：量子優(yōu)越性的里程碑

谷歌宣布實現(xiàn)「量子霸權(quán)」，其53量子比特處理器「懸鈴木」在200秒內(nèi)完成了傳統(tǒng)超級計算機需一萬年才能完成的計算。這標志著量子計算首次在特定任務(wù)上超越經(jīng)典計算機。

2020年至今：中國崛起與應(yīng)用探索

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊先后推出了「九章」光量子計算機和「祖沖之號」超導(dǎo)量子計算機。2025年3月，中國成功構(gòu)建105比特超導(dǎo)量子計算原型機「祖沖之三號」，處理問題的速度比當(dāng)前最快的超級計算機快千萬億倍。中國成為目前世界上唯一在超導(dǎo)量子和光量子兩種物理體系都達到「量子計算優(yōu)越性」里程碑的國家。

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未來展望

量子計算的發(fā)展通常被分為三個階段：第一階段是實現(xiàn)「量子計算優(yōu)越性」；第二階段是研制可操縱數(shù)百個量子比特的專用量子模擬機，解決超級計算機無法勝任的重大實用問題；第三階段是研制可編程的通用量子計算機。

目前，我們正處在第二階段，即「含噪聲的中等規(guī)模量子」（NISQ）時代。量子計算已經(jīng)在金融、材料科學(xué)、藥物設(shè)計等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景。未來5年，全球?qū)⑦M入「量—超—智」三算融合時代，即量子計算、超級計算和智能計算協(xié)同完成運算任務(wù)。

盡管量子計算前景廣闊，但它并不會完全取代經(jīng)典計算機，兩者將各自適合不同的應(yīng)用場景。量子計算更可能作為一種強大的工具，在需要處理海量可能性的特定問題上發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。

量子計算的發(fā)展歷程充滿了挑戰(zhàn)與突破，從理論構(gòu)想逐步走向現(xiàn)實應(yīng)用，這一歷程見證了人類對計算本質(zhì)的不斷探索和對技術(shù)極限的持續(xù)突破。