量子计算机还有多远

1、 量子计算机还有多远 实习记者 任禾 文 郑元春 编 计算机领域沿用几十年的“0”、“1”二进制原则，注定要被量子计算模式所打破。在量子计算中，用来计算的量子比特同时就包含了“0”和“1”这两种状态。2011年5月11日, 加拿大的D-Wave System Inc. 发布了一款号称 “全球第一款商用型量子计算机”的计算设备“D-Wave One”。一石激起千层浪，两年来，对于这台似乎是超越了时代的计算机，业界的质疑和争论从未止歇。2013年4月9日， D-Wave Systems Inc又获得美国国防承包商洛克希德马丁公司1000万美元的订单，将D-Wave One量子计算机升级为D-Wav

2、e Two。无独有偶，5月17日，Google和美国国家航空航天局NASA宣布合作设立量子实验室，购买D-Wave的量子计算机研究机器学习，整套系统预计售价1500万美元，今年第三季度投入使用。对于量子计算机的实质性突破，中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿介绍：“目前在少数几个量子比特的物理体系中，人们已经成功地演示了量子计算的基本原理、逻辑门操作、量子编码和简单的量子算法，证实量子计算机的实现不存在原则性的困难。”CEI：量子计算机甚至整个量子信息科学的研究，有何深远意义？郭光灿：量子信息科学是利用量子体系的独特性质对计算、编码、信息处理和传输过程给予新的诠释，并开发新的、更为高

3、效的信息技术功能的一门学科。实现真正意义上的量子计算机是量子信息科学的核心目标之一，另一个核心目标是实现绝对安全的、可实用化的长程量子通信，因此研究量子计算机对于推动量子信息科技的发展具有深远的意义。目前量子计算机的研究尚处在起步阶段，但它以其独特的魅力正吸引着越来越多的科学家和工程技术人员加入到这个研究阵营。CEI：当前量子计算机遇到的研究瓶颈是什么？郭光灿：真正要研制出量子计算机，存在一个本质性的障碍：因为量子计算机需要实现成千上万个量子比特，并能有效地进行相干操控。但是量子比特是十分脆弱的，很容易受到外界影响而失去相干性，从而使得计算结果出错。因此如何使得众多量子比特的相干性保持到一个阈

4、值，确保计算结果的可靠性成为一个根本性的瓶颈。如今，人们已经可以在离子阱系统中实现多达16个量子比特的操控了，但是这与发挥量子计算机的强大能力所需的成千上万个量子比特数还有相当大的差距。CEI：量子计算机可以开展哪些方面的应用？ 郭光灿：电子计算机解决不了的问题，量子计算机有能力解决。量子计算机为人类提供了一种新的运算模式，这个模式有很多优点，一个最典型的例子是：一个大数分成两个素数相乘，这是我们现在使用公开密钥的安全性基础，如果这个大数能够分了，现在的公开密钥就可以破了。但大数分成两个素数，这件事情用电子计算机很难实现。因为它的复杂度呈指数上升。什么叫指数上升呢？如果把数的长度拉长了，那么你

5、所操作的次数和花的时间就要指数上升。因此，大数分解在电子计算机理论上是可以求的，但很难。量子计算机如果研制成功了，这样的问题很容易解决。一旦量子计算机研制成功，现在的公开密钥全会被破译。另外，量子密码的发展，导致整个量子计算机学科蓬勃地发展。因为它对人类社会具有非常意义。量子密码被认为是改变人类未来的新技术，因为安全性得到了保证。最近这些年，世界各国都投入了大量研究经费发展量子信息科学，也取得了非常重要的成果。举个例子，要保证通信信息的安全，可以把一个文本进行加密，变成秘文，让别人看不到。其他人如果看到也是乱糟糟的材料。利用量子技术建立一个完全相同的密钥，只有接受对方的反变换才可以把文件读出来

6、。其他人虽然拿到了这个秘文，但他没有密钥，就没有办法反变换看到内容。这是量子密钥的基本性质。因此，量子技术最大的特点是它的密钥是安全的。目前所用的保密技术也有密钥，但要派人送到对方，也就是让对方与我有相同的密码本。可密码本在传送过程中是不安全的，有可能被人窃取，或者复印。因此，现在的保密通信本质上都不安全。但量子技术能做到绝对安全。这是量子的性质所决定的。CEI：目前，国内量子科学的应用有了哪些方面的成果？郭光灿：量子密码保密通信技术已到了实际应用的阶段。目前，在基于量子密码传输的保密通信方面，它的基本原理基本上都得到了解决。具体而言，就是关键科学和技术问题已经解决，正从实验室研究走向实际应用

7、。我们研究小组发明了一套新的方案，这个方案能够保证量子密钥的稳定性，同时保证安全。2005年，我们在北京租用网通公司的光纤，从北京到天津125公里上试用。结果非常不错，在北京和天津建立了世界上最长距离的商用密钥。这个技术使量子密码研究从实验室走向光纤网络。2007年，在北京商用光纤里，我们小组建立了城域网的通信，成功地演示了量子保密通信网络。2012年5月份，我们在安徽省芜湖市建立了量子政务网。这个政务网有8个节点，其中，一个节点是芜湖市科技局，一个是招商局，还有市政府下属其他几个局。有一个节点专门用来检测，观测是否被窃取。这个政务网在原来光纤的基础上，加上量子技术就行。不需要改造全部设施，与

8、现在的光纤网络兼容。CEI：国内量子信息科学的某些基础研究已经与世界水平同步，在量子计算机主流方向与国外研究有何差距？郭光灿：尽管不断地取得研究进展，但鉴于基础较弱，研究积累较薄，我国目前在量子计算机主流方向上做出的原创性成果还很少，总体水平明显落后于西方强国，而且差距正日益增大。实现量子计算机将是一个长期的过程，需要持续的支持。CEI：量子计算机相对于传统计算机来说速度更快，对大数据处理能力更强，那么它能对目前的云计算、云存储、大数据提供什么技术支撑？郭光灿：量子计算是利用量子力学的基本原理而诞生的全新计算技术，与传统的计算技术存在本质上区别。量子计算机将是一种新型的计算工具，将具有强大的并行处理数据的能力，可以