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量子计算技术研究步入“关键期”

2018-12-04  来源:中国信息产业网-人民邮电报  作者:吴冰冰

量子计算凸显战略意义,多国纷纷布局竞争加剧

计算能力是信息化发展的核心,随着社会经济对信息处理需求的不断提高,以半导体大规模集成电路为基础的经典计算在性能提升方面面临瓶颈。量子计算利用量子叠加和纠缠等物理特性,以微观粒子构成的量子比特为基本单元,通过量子态的受控演化实现数据的计算处理,理论上具有经典计算无法比拟的超强信息携带和并行处理能力,未来或将成为科技加速演进的“催化剂”,对物理及化学等基础科学研究、新型材料与医药研发、信息安全与国防建设、资源勘探与人工智能等众多领域产生重大影响。

近年来,全球多国加快量子信息技术研究与应用布局,竞争态势日益明显。美国近十年来以每年2亿美元的投入力度持续支持量子信息各领域研究发展;欧盟今年已启动10亿欧元规模的“量子旗舰”项目,重点支持量子计算、模拟、通信和传感四大领域;我国2016年起设立国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项,并筹建量子信息科学国家实验室;此外,英国、荷兰、澳大利亚、瑞典也纷纷出台相关政策或项目支持。在全球竞争加剧、量子计算技术产业加快发展的背景下,美国今年6月推出了《国家量子行动计划(NQI)》法案,将在原有基础上每年新增投入,进一步加快推动量子信息技术研发应用,并在今年11月将量子计算列入出口管制框架。

量子计算正处于技术攻关关键阶段,专用机未来几年可能率先突破

量子计算包含处理器、编码和软件算法等关键技术,近年来发展加速,但仍面临量子比特数量少、相干时间短、出错率高等诸多挑战,目前处于技术攻关和原理样机研制验证的早期发展阶段,超越经典计算的性能优势尚未得到充分证明。量子处理器有超导、离子阱、半导体、中性原子、光量子、金刚石色心和拓扑等不同技术路线,每种路线各有优劣势,现阶段超导和离子阱发展相对领先,但尚无任何一种路线能够完全满足实用化要求并趋向技术收敛。另外,量子系统非常脆弱,极易受材料杂质、环境温度等影响引发退相干效应,量子编码技术将多个“物理比特”构造为能够纠错的“逻辑比特”,是克服退相干难题和量子系统脆弱性的有效手段。然而现有量子编码方式的阈值高效率低,技术尚未突破,正处于向第一个“逻辑比特”迈进的关键阶段。量子软件和算法是硬件处理器充分发挥计算能力和解决实际问题的神经中枢,开发设计需紧密结合量子叠加、纠缠等物理特性,不能从经典计算中直接移植。目前量子计算算法典型包括Shor和Grover算法等,数量有限,只在部分经典计算难以解决的复杂问题上具备理论优势,并非普适于解决所有问题。

关键词:量子叠加 谷歌 量子比特 量子计算机 关键期 退相干 量子信息 量子系统 中性原子 物理实现