谷歌人工智能AlphaGo与韩国棋手李世石之间的人机大战，让人们见识了人工智能的强大计算能力。但实际上，AlphaGo不过是谷歌人工智能的开胃小菜，真正的“大杀器”——量子计算机却隐藏在背后，少为人知。
“D-Wave（谷歌量子计算机）的运行速度比传统计算机快1亿倍。”这是谷歌量子人工智能实验室不久前给出的测试数据。除了谷歌，微软、Facebook、IBM等在内的科技巨头纷纷开启对量子计算机的探索。
在国家“十三五”规划纲要中，“量子通信与量子计算机”也被列入国家科技创新2030重大科技项目。
“破解全世界最强的加密软件，超级计算机需要约100万年，量子计算机只需要一个小时。”有专家称，量子计算机有望引爆新一轮计算革命。
从空想变为现实
在科幻电影《异次元骇客》描述的未来时代里，科学家们通过强大的计算机构建出一个虚拟城市，虚拟城市中的“科学家”又虚拟出另外一个城市。在若干层次的虚拟城市里，虚拟人类生活的悠然自得，每个“居民”都有思想、有感觉。他们不会怀疑所处世界的真实性，更浑然不觉自己是个人工智能。
事实上，要完成如此规模的模拟并不是一件容易的事情。一个人类个体所具有的全部特点、微小变化以及肉体细胞之间的作用联系就是一个难以估量的庞大数据，更何况要模拟出若干个世界。传统计算机根本无法实现这样的完全模拟，但量子计算机的出现，却让这个“不可能的任务”成为可能。
对于普通人来说，量子力学过于深奥。不过，随着科幻电影的风靡，“平行宇宙”“平行世界”等词汇开始被频频提及，而这些正是出自量子力学的相关概念。
想要了解什么是量子计算机，我们首先要认识一只科学界知名度最高的萌宠——“薛定谔的猫”。
“一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有毒气体容器的实验装置。这个放射性原子核有50％的可能性发生衰变。如果发生衰变，它会发射出一个粒子触发实验装置开关，容器中的毒气会释放，从而毒死这只猫。”1935年，量子力学创始人之一的薛定谔设想出这样一个实验。
根据量子力学理论，在实验者没有开箱进行观测时，原子核处于衰变和未衰变的叠加状态，换言之，箱子里的猫处于既是活的也是死的状态。有违经典物理世界常识的“既生又死”的状态，在量子世界里却司空见惯。
“量子力学针对的是在微观环境下的物理现象，在这一环境中，经典物理学中的规律会失效。因为微观世界是由另一套自然法则在操控，这也是为什么‘薛定谔的猫’既可能是活的也可能是死的。”河北师范大学物理科学与信息工程学院教授崔树旺说，一旦打开箱子，微观世界就会出现“崩塌”，原子核的状态就会确定下来，此时猫是生是死也随之揭晓。
量子计算机的计算原理和“薛定谔的猫”是一样的，利用的都是“量子叠加态”。这意味着计算机能同时尝试所有可能的解，以远超传统计算机的速度进行复杂的计算。
长期以来，由于不能实际观测，量子力学仅仅停留在理论之上，而缺乏实践的验证。2012年，来自法国和美国的两位诺贝尔奖得主在这方面取得了突破，他们各自通过精妙的实验，使“测量和操控量子系统成为可能”，让不打开箱子就能观察猫的生死变成了可能。当然，更重要的是，它也使量子计算机的实现变得不再遥不可及。
如今，从谷歌开发的D-Wave量子计算机到中国科技大学研制的金刚石量子计算机，从微软长达十余年的量子计算机计划到阿里巴巴新近联手中科院打造量子计算机计划，一波波“量子潮”加速向现实袭来。
并行计算让速度“飞”起来
量子计算的神奇之处在于，它可以做到真正的并行计算与存储。
在传统计算机中，每个数位只有两种状态，非“0”即“1”，而量子计算机利用“量子叠加态”让量子数位可以同时处于“0”和“1”这两种状态之中。摆脱了这种“非此即彼”的限制后，即便是一台性能一般的量子计算机也能完胜当今世界上最快的超级计算机。
“量子计算机的优势在于并行计算。”崔树旺介绍说，按照传统算法，当用户需要提取某一个词组信息或者需要解决一个问题时，计算机要先把所有可能性列举出来并一一验证才能得到正确的信息，而量子计算机能够直接计算并提取出相应信息。
量子计算机的并行计算是如何做到的？“如果让一个图书管理员在一个没有检索系统但藏书数百万册的图书馆中，找出未知书籍中的一个特定图形。对于图书管理员而言，这就是一个不可能完成的任务。但量子计算的并行计算，则像是同时雇佣了几百万名图书管理员，一人拿起一本书同时翻查，短时间内，这一庞大的搜查任务就能有明确答案。”专家介绍，简单来说，传统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。
谷歌声称，D-Wave量子计算机在解决问题时比其他任何计算机都快出1亿倍，其重要佐证就是“量子退火”算法。这种算法确定了当面临一系列潜在解决方案时一个特定函数的全局极小值，即在给定一系列选项时，它能够确定完成一个任务所需的最优解决方案。
不仅如此，基于量子计算的计算机，由于体系架构发生了变化，采用全新的算法，这使得计算与存储不再成为难题。有专家认为，量子计算机的巨大突破将为云计算和大数据处理乃至整个计算机科学领域带来一场变革。这也是众多高科技公司投入巨资研究量子计算机的原因所在。
“落地”仍面临诸多难题
量子计算机能够大幅缩短提取用户所需信息的时间，它被认为可以在几天里解决以往传统计算机需花费数百万年时间才能处理的庞大数据，未来的应用前景令人神往。
比如，现在的天气预报大多是通过对相对有限的探测数据进行分析得出结论，缺乏准确性。而量子计算机可以一次分析所有相关数据，精准地告知人们恶劣天气在何时何地出现，这样当遇到地震、飓风等极端天气时，可以预留足够的时间来拯救生命。
常常因为交通拥堵而耽误出行的车主们看到了希望。通过量子计算机，GPS可以把整个城市甚至整个地球上所有人的出行计划全部输入进去，规划出最优的出行方案，让智慧交通的实现成为可能。
在研发药物方面，量子计算机能够描绘出数以万亿计的分子组成，并将其中最可能有效的组合快速识别出，显著降低药物的研发成本和周期。
量子计算机还能为人类探索宇宙作出贡献。它可以处理望远镜视野中更多的数据，从而发现更多的行星，并迅速识别出最有可能存有生命体的行星。
前景十分丰满，现实却有些骨感，要实现这些应用还有很长的路要走。有学术界人士曾质疑，谷歌的D-Wave量子计算机并不是真正意义上的量子计算机，作为原型机，它无法进行普及，且远远达不到量子计算的要求。
“量子计算机的运行条件极为苛刻。”崔树旺告诉记者，真空环境、低温控制、磁场保护等前提条件决定了量子计算机在短期内难以普及。
“作为研究微观尺度的量子力学，要想控制计算机的量子位，其实就是需要操纵单个原子。”专家介绍，原子在常温下的速度高达到数百米每秒，只有让原子保持在极低的温度状态，才能受控制。所以谷歌的量子计算机D-Wave处理器温度一直稳定在-273℃，只比绝对零度高0.15℃而已。除此之外，量子计算机还要放到比地球磁场弱50000倍、大气压比地球小100亿倍的环境中，才可以保持量子态的稳定。
不仅如此，量子计算机在实际落地推广方面也会面临障碍。量子计算机的计算方法完全不同于传统计算机，意味着编程的方式将更加的独特且复杂。对于程序员来说，就必须要掌握一套比现有算法更为复杂的编程方式。
“量子的不稳定性决定信息状态不稳定，这将影响到计算的准确性。”崔树旺说，量子计算机还有许多需要克服的技术难题，事实上，实现对微观量子态的操纵本身就非常困难。
正如薛定谔那只著名的猫的命运对箱子外的人来说仍是个谜题一样，量子计算机未来会否成功还有待时间来揭晓。但是不管结局如何，人类探索量子计算机的脚步不会停止。（记者 陈诚）
版权声明：凡本网注明"来源：半月谈网"的所有作品，均为半月谈网合法拥有版权或有权使用的作品，任何报刊、网站等媒体或个人未经本网书面授权不得转载、 链接、转帖或以其他方式复制发布。违者本网将依法追究法律责任。如需授权，点击 获取授权
