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量子|让他们集体学习的量子科技，到底是啥？( 二 )


1120公里！2020年 ， “墨子号”量子科学实验卫星再立新功：科学家们利用“墨子号”作为量子纠缠源 ， 向遥远的两地分发量子纠缠 ， 在国际上首次实现了千公里级基于纠缠的量子密钥分发——为量子通信走向现实应用奠定了重要基础 。
“量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患 ， 因为其安全性不依赖于计算复杂度 ， 这是原理上无条件安全的一种通信方式 。 ”中科院院士潘建伟称 。
潜力无限的量子计算
除了量子保密通信 ， 科学家们密切关注的另一个重要应用就是量子计算机了 。
在古代 ， 人们就已制造出可进行一定计算的器具和机器 ， 比如中国发明的算盘 ， 欧洲早期发明的各种计算器械 。
埃尼阿克是现代意义上世界第一台计算机 ， 它重达二十七吨 ， 占地一百五十多平方米 ， 由美国在1945年建造成功 ， 目的是计算炮弹弹道 。 冯诺依曼1945年明确提出了存储程序通用计算机方案 ， 规划了电子计算机架构 ， 使得计算机可以被广泛应用 。
“但是现有的计算机基于微处理器芯片摩尔定律无疑会碰到技术瓶颈 ， 于是人们开始思考建造一种全新的计算机——量子计算机 。 ”
根据范桁的介绍 ， 量子计算机的运行遵循量子力学原理 ， 以量子比特为基本信息单元 ， 以量子纠缠、相干叠加和量子测量为特色 ， 其发展也将遵循经典计算机类似的轨迹 。
“不过我们现在看到的量子计算机原型机功能比较单一 ， 只能模拟某些特定的量子过程 ， 或者解决某些简单的问题 。 ”
但如果世界上有量子计算机 ， 我们现有的经典计算机能否实现其功能？
量子|让他们集体学习的量子科技，到底是啥？
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范桁分享了相关方面的国际科研进展：2019年谷歌宣布实现了53个量子比特的超导量子计算 ， 在处理随机线路采样问题时 ， 其200秒完成的任务 ， 经典计算机需要用一万年 。
超导量子处理器芯片已经达到约50－100个量子比特 ， 用经典计算机模拟其功能需要用天河或者太湖之光这样的超级计算机 。
“而多增加一个量子比特 ， 经典计算机的资源就需要翻倍 ， 这个竞争将不具有持续性 ， 所以量子计算机的功能不可能用经典计算机来替代 。 ”范桁表示 。
不仅如此 ， 人们已知运行于量子计算机的某些量子算法相较于经典算法具有明显的优势 ， 比如肖尔算法和格罗夫量子搜索 ， 它们都在信息安全方面具有重要的应用 ， 这些算法的实用化运行将迅速对现有的信息安全体系造成全面冲击 。
在实用性方面 ， 量子搜索算法可以期望应用于大数据；量子退火算法可以应用于优化问题 ， 比如物流和交通优化等；量子模拟可以被应用于量子化学和量子物理研究 ， 比如生物合成和药物筛选等 ， 量子模拟向量网络态可应用于机器学习和神经网络等 。
既然如此强大 ， 那么量子计算机何时从梦想照进现实？
范桁坦言 ， 量子计算机的研究才刚刚起步 ， 距离实用化需要的成千上万个量子比特还有较大距离 。
此外 ， 量子计算机的建造兼具工程和科学特色 ， 不可控的因素较多 ， 技术上也有瓶颈需要克服 ， 所以需要各个领域的专家联合攻关 ， 在集中资源进行重点突破的同时 ， 兼顾多种技术路线 。
比如 ， 国外IBM等高科技公司逐渐摆脱了单纯的科研探索模式 ， 以实用化、集成和综合性为目标 ， 其研发涵盖软硬件各个方向 ， 实现方案大多选择了超导量子计算方案 ， 以提供云量子计算服务 ， 培养量子计算生态作为一个重要的目标 。
中国科学家在超导量子计算方向也有世界性的先进成果：中科院物理研究所、浙江大学和中国科大等合作 ， 在去年实现了20超导量子比特的薛定谔猫态制备 ， 创造了固态系统纠缠量子比特数世界纪录 。
【量子|让他们集体学习的量子科技，到底是啥？】“长期来看 ， 量子计算机功能强大 ， 是下一代信息技术的制高点 ， 其出现有望影响人类生活的方方面面 ， 国际竞争不可避免 。 ”范桁说 。


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