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量子计算,怎么它就这么玄?

原标题:《以“玄”解“玄”,量子计算》

半月谈记者:张漫子 

来源:《半月谈》2024年第10期内容

从“悟空”催生大算力、光子跳出“霍尔舞步”,到大规模量子云算力集群、500+比特超导量子计算芯片的诞生,量子计算接连搞出“大新闻”。那么,量子计算到底有啥不一样?

“穿着冰箱”的庞然大物

在哪里才能一睹量子计算机的真容?北京西北部的北京量子信息科学研究院(简称“北京量子院”)量子极低温实验室是一个不错的选择。

走进实验室,一眼就可看到插满线缆的“庞然大物”,实验室像是赛博世界的巨型车间。

咦,“极低温”,为什么我还不冷?传说中的“绝对零度”呢?

“绝对零度”就在实验室一台悬空的圆筒状“冰箱”里。这台巨大的“冰箱”,最核心位置的温度仅比绝对零度高出一丁点儿(约为绝对零度以上0.01度)。其中泛着金属光泽的铝罐里,竖着若干根如俄罗斯套娃般嵌套的金色圆柱,一圈圆柱的中央是一盏长满无数线缆的“吊灯”,牵出的线缆透过层层叠叠的金属层,连接底座上的量子芯片。

超导量子计算芯片、扮演大冰箱角色的稀释制冷机,再加上配套的电子学设备——好了,量子计算机的“三件套”,这就算饱了眼福了。

为啥非得用这么高级的“冰箱”?原来,量子态非常脆弱,极低温环境可以尽量降低热噪声,大“冰箱”还能为量子芯片隔离外界的电磁噪声,只有这样,量子计算才可能尽量精准。

北京量子院研究员、相干(北京)科技有限公司创始人金贻荣指着其中一台“庞然大物”说,如果是处理随机线路取样等特定问题,量子计算机的计算速度比最快的经典计算机要快成千上万倍。

我想起看过的报道,世界上最快的超级计算机求解某特定数学问题约需200亿年,而用“九章三号”量子计算原型机只需百万分之一秒,比超算快一亿亿倍。

量子计算威力何来

量子计算机相当于一台拥有超能力的超级计算机。传统计算机信息量的最小单位是比特(BIT,也就是“二进制数”的缩写),量子计算也借用这个概念,不过“量子比特”可不是数,而是量子态。量子比特在同一时刻可有两种状态相互叠加,就好像一枚硬币在半空中不断旋转,让人无法辨清正反面孰上孰下。正是这种叠加态,让量子计算的计算能力较传统计算有了指数级的增强。

无从揣摩的量子态,使得量子计算天生适于处理密码破译、金融分析、天气预报等变化莫测的计算难题。以“玄”解“玄”,量子计算将带我们探索更多的未知,将我们视为“魔法”的事物变为现实。

下一步,看应用生态!

经典计算机经过近80年的发展,晶体管越做越小,中间的阻隔也越来越薄,3纳米芯片的阻隔仅相当于几十个原子成列。如此下去,芯片上可能会发生量子隧穿效应,“0”和“1”的精准分别失灵,传统计算也就触到了“天花板”。

替代方案是什么?算力升上去、能耗降下来的量子计算,为各方看好。不过,量子计算的应用生态,建设还刚刚起步。

“在实验室里造出了量子计算机,接下来的紧迫任务就是怎样让它在更多应用场景发挥威力。我们的想法是,让大算力的量子计算机联网、上云,不必局限于本地应用。”中国科学院物理研究所研究员范桁介绍由北京量子院研发的Quafu量子计算云平台及算力集群时这样说。如果说过去的量子计算机就像一款单机游戏,量子计算云平台就相当于“联机对战”,将不同地方的量子算力整合到一起。

而今,有了新一代架构量子计算芯片、高密度测控线路、量子测控电子学系统的助力,近600个量子比特飞驰在云端,Quafu平台的算力增长可谓日新月异。

“眼下,量子计算‘+超算’‘+智算’无疑是前沿潮流,我们希望Quafu平台能‘加’出更多的奇妙可能,让中国量子计算的应用生态欣欣向荣。”范桁期待中带着笃定。

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