在人類的科技發(fā)展史上，計(jì)算機(jī)無疑是一個極為重要的發(fā)明，不過隨著科技的日益進(jìn)步，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)逐漸進(jìn)入瓶頸期，而要徹底改變這種情況，我們就需要一種更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)——量子計(jì)算機(jī)。

簡單來講，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用的“經(jīng)典比特”，即通過電路的高低電平來表示“0”和“1”，而當(dāng)其工作時，只能將“經(jīng)典比特”進(jìn)行串行處理。

而量子計(jì)算機(jī)使用的則是“量子比特”，其“量子疊加態(tài)”可以同時處于多種狀態(tài)，更重要的是，量子計(jì)算機(jī)還可以利用“量子糾纏”讓“量子比特”之間共享自身狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的并行計(jì)算，在這種模式下，隨著“量子比特”數(shù)量的增多，其計(jì)算效率就會指數(shù)級地上升，進(jìn)而具備了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的串行計(jì)算的優(yōu)勢。

在過去的日子里，科學(xué)家們一直在致力于與之相關(guān)的研究工作，近日一個好消息拿過來，在量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域，中國科學(xué)家取得了重大進(jìn)展。

一個由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出105比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)——“祖沖之三號”，測試結(jié)果顯示，在處理量子隨機(jī)線路采樣問題時，其速度比目前世界上最快的傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)還要快1000萬億倍，從而再次刷新世界紀(jì)錄。

（↑“祖沖之三號”芯片示意圖，圖源潘建偉團(tuán)隊(duì)）

簡而言之，所謂量子隨機(jī)線路采樣問題，是一個量子計(jì)算機(jī)的經(jīng)典測試問題，其內(nèi)容是模擬一個量子系統(tǒng)在不同初始狀態(tài)下的演化過程，并采樣出系統(tǒng)的最終狀態(tài)。

這類問題的解決，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要巨大的計(jì)算資源，而從理論上來講，量子計(jì)算機(jī)通過其獨(dú)特的量子特性，可以在極短的時間內(nèi)完成這類計(jì)算任務(wù)，因此，成功解決量子隨機(jī)線路采樣問題，就說明了量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力可以在特定任務(wù)上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)。

之所以說是再次刷新世界紀(jì)錄，是因?yàn)樵缭?021年，潘建偉團(tuán)隊(duì)就成功研發(fā)出了66比特的超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)——“祖沖之二號”，并用其驗(yàn)證了量子計(jì)算機(jī)在量子隨機(jī)線路采樣問題上的優(yōu)越性，當(dāng)時的測試結(jié)果表明，“祖沖之二號”比世界上最快的傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)快了1000萬倍以上，從而刷新了當(dāng)時的世界紀(jì)錄。

（↑“祖沖之二號”芯片示意圖，圖源潘建偉團(tuán)隊(duì)）

根據(jù)科學(xué)界的主流觀點(diǎn)，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展可大致分為3個主要階段，分別是：

• 1、讓量子計(jì)算機(jī)能夠在一些特定的任務(wù)上，具備遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。
• 2、將“量子比特”的數(shù)量擴(kuò)展到數(shù)百個甚至更多，使其能夠解決一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的、并且具有重大實(shí)用價(jià)值的復(fù)雜問題。
• 3、構(gòu)建出通用量子計(jì)算機(jī)，使其能夠執(zhí)行廣泛的計(jì)算任務(wù)，而不僅僅是特定領(lǐng)域的問題。

可以看到，“祖沖之三號”的問世，標(biāo)志著我們在量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域邁出了極為堅(jiān)實(shí)的一步。當(dāng)然了，未來我們需要面對的挑戰(zhàn)還有很多，例如在量子計(jì)算機(jī)的工作過程中，“量子比特”非常容易受到外界的干擾，為了確保量子計(jì)算機(jī)的可靠性和可擴(kuò)展性，科學(xué)家就必須引入量子糾錯技術(shù)，以補(bǔ)償和修正這些不可避免的誤差。

在此研究領(lǐng)域，“表面碼”是一種很有前景的量子糾錯技術(shù)，該技術(shù)利用一組冗余的物理“量子比特”來編碼一個邏輯“量子比特”，并通過測量特定的穩(wěn)定子算符來檢測和糾正錯誤。

這種技術(shù)的一個核心參數(shù)是碼距，通常為一個奇數(shù) ，表示構(gòu)成邏輯“量子比特”所需的物理“量子比特”陣列的邊長，碼距決定了量子糾錯的能力，更高的碼距意味著能夠糾正更多的錯誤，進(jìn)而提升計(jì)算的可靠性。

就目前的情況來看，潘建偉團(tuán)隊(duì)正在致力于碼距為7的表面碼糾錯研究，按照計(jì)劃，如果研究取得突破，將進(jìn)一步把碼距擴(kuò)展到9和11，相信隨著研究的順利開展，量子計(jì)算機(jī)的性能還將得到大幅提升，或許我們可以樂觀地認(rèn)為，在不遠(yuǎn)的未來，我們就將進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)的時代。