量子信息科技竞赛打响：全球首台可编程量子计算机在美国诞生

量子力学描述的是在单个原子或次原子粒子尺度上，物质与能量行为和相互的作用。我们能够在大尺度上直观地理解粒子的集体效应，但量子行为则通常显得奇异和反常。这些特殊的量子现象包括量子叠加 （系统同时包含所有的可能测量结果，一旦某个测量发生，则结果将为定值）和量子纠缠（多粒子的叠加态，它们的属性相互关联影响）。
 

利用这些特性来处理信息，将量子现象和信息科学相结合，将为诸多领域带来独特而令人期待的新机会，比如测向、计量学、导航、通信、基础物理学、模拟技术以及计算领域等等。

从目前的成果来看，中国在量子通信领域已经走在世界前列；美国则在量子计算上取得重大进展。
 

8月4日，《Nature》封面杂志文章公布了一项量子计算机重大进展：一种小型可编程重新配置的量子计算机问世。
 

这个项目由美国马里兰大学量子信息和计算机科学联合研究所研究员沙塔木·德布纳特及其同事发表。他们制造了一台由五比特的量子信息（量子比特）组成的新型量子计算机，能执行一系列不同的量子算法，其中一些算法可利用量子效应，一步完成一项数学计算，而传统计算机需要数次运算才能完成这一计算。
 

这项研究是建立在几十年来捕捉并控制离子的工作基础上。研究人员采用标准的方法移动离子，但又引入了全新的控制和衡量方式，包括使用激光移动离子，以及专门开设了检测通道，检测离子的光学性质。

首先5个量子比特被储存在5个离子阱中，可通过激光操作（以激光轰击的办法也可控制每个离子的电子态）。在进行量子计算时，首先用一种颜色的激光处理量子比特，使其达到某种激发态，然后，另一种颜色的激光会打开或者关闭量子逻辑门，最后，原先那种颜色的激光会读取量子比特的新状态。
 

使用激光开合量子逻辑门的好处是，将量子算法转换为一系列不同的激光动作，从而可以从外界改变算法，也即所谓的“可编程”。目前，世界上的其他量子计算结构都无法实现这样的灵活性。根据论文作者的报告，这一系统可以约98%的准确率执行基本运算。
 

澳大利亚悉尼大学教授斯蒂芬·巴特利特在接受《Nature》采访时评论称，问世的这一新装置有望被放大为规模更大的量子计算机。不过，具体如何实现这一点目前在论文中尚未得到显示，因而下一步，德布纳特团队需要做的是向人们展示如何连接这些模块，并说明这种扩展又增加了怎样的计算效果。
 

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NSTC的报告中指出，美国联邦机构在过去的20年中，已经对量子信息科学给予了很多支持。这些支持起到了显著的作用，让美国的科学家在该领域里处在领先位置。目前，联邦政府机构每年资助量子信息科学领域2亿美元。除此之外，美国国防部（DOD）、美国国家标准与技术研究院（NIST，直属美国商务部）、美国国家科学基金会秘书办公室（NSF）提供了基础研究支持。美国国防高级研究计划局（DARPA）和情报高级研究项目活动（IARPA）更是已经资助一系列有针对性的、有限期的长期计划。另外，到了2017年财政年度，美国能源部计划开展一系列活动，支持量子信息科学新的研究方案。这些部门都希望能充分利用科学和技术带来的机会，解决美国QIS的发展障碍。

《报告》还清楚地向大众解释了目前量子信息科学发展遇到的困难。首先，各个研究机构之间的壁垒。NSTC认为，目前美国大部分的量子信息科学研究都在现有的机构内部展开。下一阶段的量子信息科学发展中，沟通和合作将至关重要。其次，量子信息科学的学校教育和工作人员训练需要加强。第三，量子信息科学技术的转换。NSTC认为，学校和科研机构的研究应该利用高科技给社会带来利益。但从目前看，进展缓慢。第四，量子信息科学的许多发展都基于材料的研发。在NSTC看来，材料已经限制了美国量子信息科学的发展，需要在未来得到改变。最后，NSTC认为研究机构的水平和稳定性也需要提高。
 

在阐述了量子信息科学发展遇到的障碍后，NSTC还给出了未来的发展战略，希望政府、企业、学界合作。首先，要有稳定可持续的核心项目，为新机会做好准备。其次，要有针对性、有限期的战略计划，并有可衡量的目标。第三，持续密切地监控美国以外领域里的量子信息科学发展和投资，迅速吸收，并能从海外的研究中学习。

从白宫的重视程度看，美国已经下定决心要在量子信息科学发展上有所突破。

 

量子通信是根据量子力学原理，提供一种全新方式对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作，并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵，以确保通信安全和提升计算速度等。因为量子具有纠缠的现象，能相互联系。简单来说，就是一个量子比特的行为能瞬间影响到另一个量子比特。这样的特性意味着，你不可能实现对一个未知量子比特的精确复制。因为一旦信息被人挟持，量子会自动发生变化，接收者也因此能察觉，而偷窥者也看不到原貌。将这样的技术运用军事、金融领域可保证信息的安全。
 

中国目前是该领域的领先者，如果8月份的量子通信卫星能成功发射，中国将成为全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家，加上今年下半年建成的地面光纤量子通信网络，国内将初步建成广域量子通信体系。
 

要理解量子计算，可以先想像一下下面这样的场景。

你被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母“X”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中，普通计算机就是像疯子一样的那个你，需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个，每个只需翻找一本书即可。
 

量子计算的可能性最早由物理学家理查德·费曼提出。他曾对量子计算有过这样的描述：“如果你自以为已经理解了量子物理学，实际上你并未真正理解它。” 简单的理解就是，普通计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题，而量子计算机却可以同时解决多个问题。
 

除了量子计算和量子通信外，量子信息科学还在以下领域具有颠覆意义。
 

实际上，量子信息科学已经在推动测向和计量学的发展。用于惯性导航的原子干涉计也可以作为比重计使用，比如对地球系统进行检测，或是确定地下矿藏的位置。利用金刚石点缺陷的磁强计既可以在人体周围使用，也能够在工业或军事所需的极端环境中运行。
 

量子模拟器使用易控的量子系统来调查其他难以直接研究量子系统的属性，比如复合材料。材料计算是美国国家能源研究科学计算中心的第二大工作。量子模拟器的潜力在于为这些计算科学的问题提供高效解决方案，而这些问题往往受限于传统高性能计算机的固有能力。在白宫的报告中指出，量子模拟目前还没有用于解决传统计算机难以应付的问题，不过在未来十年中，它有机会在其他领域发挥功用。比如化学、材料科学和物理学。