探讨中国科学院和阿里巴巴的量子计算实验室

近日，中国科学院和阿里巴巴在中国科学技术大学上海研究院联合成立了“中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室”。这是中国首次由科研单位引入民间资本来全资资助基础科学研究。

图2-6　实验室揭牌

左为中国科学技术大学校长万立骏，中为阿里巴巴首席技术官王坚，右为中国科学院院长白春礼

图2-7　Google资助的超导量子计算芯片

放眼世界，这一合作的先例来自于美国。继IBM和微软之后，Google也开展了量子计算研究，并和美国国家航空航天局（NASA）联合成立了量子人工智能实验室（QuAIL）。2014年Google正式雇佣加州大学圣芭芭拉分校的John Martinis超导量子计算实验室，开创了私人公司全资资助量子计算实验室的先河。

阿里巴巴作为中国市值最高的互联网公司在经典信息技术上积累雄厚，同时中国科学技术大学在量子信息学研究上领先世界。在Google模式的启发下，两者一拍即合，成立了该联合实验室。

量子计算为何有如此魅力吸引互联网巨头纷纷解囊？这要从量子物理学最基本也是最奇异的特性“叠加态”（superposition）说起。在经典物理学中，物质在确定的时刻仅有确定的一个状态。量子力学则不同，物质会同时处于不同的量子态上。一个简单的例子就是双缝干涉，经典的粒子一次只能通过一个狭缝，但是量子力学的粒子一次可以同时通过多个狭缝，从而产生干涉。

传统的信息技术扎根于经典物理学，一个比特在特定时刻只有特定的状态，要么0，要么1，所有的计算都按照经典的物理学规律进行。量子信息扎根于量子物理学，一个量子比特（qubit）就是0和1的叠加态，可以写作：(www.xing528.com)

|Φ＞=a|0＞+b|1＞

图2-8　表示量子比特的Bloch球，球面代表了一个量子比特所有可能的取值

这里用Φ代表0和1的叠加（长得像）。|＞为狄拉克符号，代表量子态。a和b是两个复数，满足关系|a|2+|b|2=1。于是一个量子比特可以用一个Bloch球来表示。相比于一个经典比特只有0和1两个值，一个量子比特的值有无限个，分布在整个Bloch球面上。

因为处于叠加态，一个量子比特即同时代表|0＞和|1＞（只要取值不恰好是|0＞或者|1＞），对这个量子比特做一次操作即同时对|0＞和|1＞都做了操作。扩展下去，比如一个10比特的数，经典计算一次运算只能处理一个数（如0001001000，0100001000，1001101101，…）。量子计算可处理一个10量子比特的叠加态：|ΦΦΦΦΦΦΦΦΦΦ＞。这就即意味着量子计算一次运算就可以处理210=1024个数（从0到1023同时处理一遍）。

以此类推，量子计算的速度与量子比特数是2的指数增长关系。一个64位的量子计算机一次运算就可以同时处理264=18446744073709551616个数。如果单次运算速度达到目前民用电脑CPU的级别（1GHz），那么这个64位量子计算机的数据处理速度将是世界上最快的“天河二号”超级计算机（每秒33.86千万亿次）的545万亿倍！

量子力学叠加态赋予了量子计算机真正意义上的“并行计算”，而不是像经典计算机一样只是并列更多的CPU来并行。因此，在大数据处理技术需求强烈的今天，量子计算机越来越获得互联网巨头们的重视。