量子计算机|陈根：量子计算，升级信息时代( 二 ) 芯片|Google|量子力学|重器

升级信息时代
即便量子计算的发展面对诸多现实性的艰巨挑战，但量子计算依然是物理学家和计算机科学家数十年来一直梦想的潜在革命性的技术。究其原因，量子计算机的发展从根本上而言能给人类社会带来的是一次信息化的升级，量子计算的加入或许可以帮助人们在未来以更快更安全的方式处理数字化信息。
众所周知，人类历史上发生了三次工业革命，第一次是蒸汽时代，第二次是电气时代，第三次则是信息时代。而以计算机为主的第三次工业革命，目前又在进一步进化为以互联网、大数据和人工智能为开端的第四次工业革命。在第三次和第四次工业革命中，计算机起着重要的主导作用，芯片，作为计算机的“大脑” ，更是技术革命中的重中之重。
1965年，英特尔联合创始人GordonMoore预测，集成电路上可容纳的元器件数目每隔18个月至24个月会增加一倍。摩尔定律归纳了信息技术进步的速度。在摩尔定律应用的50多年里，计算机得以进入千家万户成为多数人都不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活。
“摩尔定律”对整个世界意义深远。然而，经典计算机在以“硅晶体管”为基本器件结构延续摩尔定律的道路上终将受到物理限制。计算机的发展中晶体管越做越小，中间的阻隔也变得越来越薄。在3nm时，只有十几个原子阻隔。在微观体系下，电子会发生量子的隧穿效应，不能很精准表示“0”和“1” ，这也就是通常说的摩尔定律碰到天花板的原因。
尽管研究人员们也提出了更换材料以增强晶体管内阻隔的设想，但一个事实是，无论用什么材料，都无法阻止电子隧穿效应。这一难点问题对于量子来说却是天然的优势，毕竟半导体才是量子力学的产物，芯片也是在科学家们认识电子的量子特性后研发而成的。
此外，基于量子的叠加特性，量子计算就像是算力领域的“5G” ，它带来“快”的同时带来的也绝非速度本身的变化。比如在围棋领域战胜全体人类的AlphaGo ，其实从其最初研发到最终战胜全球冠军，一方面是AI算法的“软成长” ，另一方面则是运行AlphaGo的NPU在算力上的“硬成长” 。两者之间任何一个要素的发展都可能导致最终结果上AlphaGo变得更聪明。
基于强大的运算能力，量子计算机有能力迅速完成电子计算机无法完成的计算，量子计算在算力上带来的成长，甚至有可能造就第四次人工智能浪潮。目前，针对人工智能产生的量子算法潜在应用包括量子神经网络、自然语言处理、交通优化和图像处理等。其中，量子神经网络作为量子科学、信息科学和认知科学多个学科交叉形成的研究领域，可以利用量子计算的强大算力，提升神经计算的信息处理能力。
再比如，在数字加密领域，当下几乎所有的数字加密都像是一把数学上的“锁” ，这把锁的钥匙串上有几亿甚至几百亿把可能打开它的钥匙。此时，基于一个朴素的假设——暴力破解者没有足够的算力把其中的每一个钥匙都做出来然后尝试，因此，加密就是安全的。然而，当算力爆发式成长时，很多包括金融机构在内的密码加密就将全部失去意义，取而代之的则是基于量子技术的超高运算性能的安全架构。
量子计算下的中美角逐
量子技术是远超当前任何一个国家所拥有的关于计算机领域的技术，包括芯片技术，以及当前一直在讨论的区块链技术。因此，作为全球科技前沿的重大挑战之一，量子计算也成为世界各国角逐的焦点，尤其是中美。
美国是最早将量子信息技术列为国防与安全研发计划的国家，也是进展最快的国家。早在2002年，美国防部高级研究计划局（DARPA）就制定了《量子信息科学与技术规划》。 2018年6月，美国通过《国家量子倡议法案》，计划在10年内拨给能源部、国家标准与技术研究所和国家科学基金12.75亿美元，全力推动量子科学发展。
就企业而言，谷歌早在2006年就创立了量子计算项目。 2019年10月，谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54个量子位处理器Sycamore ，实现了量子优越性。具体来说， Sycamore能够在200秒内完成规定操作，而相同的运算量在当今世界最大的超级计算机Summit上则需要1万年才能完成。这项工作是人类历史上首次在实验环境中验证了量子优越性，也被《Nature》认为在量子计算的历史上具有里程碑意义。