量子計算機(jī)，開啟中國速度

吳月輝

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽教授、朱曉波教授等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，在基于光子和超導(dǎo)體系的量子計算機(jī)研究方面取得了系列突破性進(jìn)展。5月3日，該研究團(tuán)隊正式發(fā)布了這一系列研究成果。

潘建偉在現(xiàn)場宣布，在光學(xué)體系，研究團(tuán)隊在去年首次實現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點單光子源構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)。

在超導(dǎo)體系，研究團(tuán)隊打破了之前由谷歌、NASA（美國國家航空航天局）和UCSB（加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校）公開報道的9個超導(dǎo)量子比特的操縱，實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目（10個）超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。

系列成果已發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然光子學(xué)》，即將發(fā)表在《物理評論快報》上。

傳統(tǒng)電子計算機(jī)要算15萬年的難題，量子計算機(jī)只需1秒

1981年，美國物理學(xué)家費曼指出，由于量子系統(tǒng)具有天然的并行處理能力，用它所實現(xiàn)的計算機(jī)很可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典計算機(jī)。1994年，麻省理工學(xué)院的Peter？Shor教授提出分解大質(zhì)因數(shù)的高效量子算法，量子計算引發(fā)了世界各國的強烈興趣。

“由于量子比特是0和1的疊加態(tài)，在原理上具有超快的并行計算和模擬能力，計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長。這一特點使得量子計算可為經(jīng)典計算機(jī)無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案?！迸私▊フf，“比如，300位10進(jìn)制那么長數(shù)，用我們目前萬億次的傳統(tǒng)電子計算機(jī)拿來算的話，大概需要算15萬年。但如果能夠造出一臺量子計算機(jī)，它計算的頻率也是萬億次的話，只需要1秒鐘就可以算完。從這個角度上講，量子的并行計算能力是非常強大的?！?/p>

此外，一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機(jī)，對特定問題的處理能力可超過超級計算機(jī)。

那哪些算特定問題呢？

朱曉波說：“比如說大數(shù)字分解，這個是用于現(xiàn)在加密的一個標(biāo)準(zhǔn)的算法。那么你如果能解一個大數(shù)字分解，就能解密現(xiàn)在很多的加密算法。如果很多加密算法都失效了，國家金融安全、軍事安全等都會受到嚴(yán)重影響。還有，量子計算機(jī)做到一定規(guī)模之后，很有可能實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的快速搜索，以后在解決搜索問題的時候就具有巨大的優(yōu)勢?！?/p>

據(jù)專家介紹，根據(jù)各物理體系內(nèi)在優(yōu)勢及其在實現(xiàn)多粒子相干操縱和糾纏方面的發(fā)展現(xiàn)狀和潛力，目前，國際學(xué)術(shù)界在基于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路體系的量子計算技術(shù)發(fā)展上總體較為領(lǐng)先。

研究仍處早期，我國計劃在年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱

多粒子糾纏的操縱作為量子計算的核心資源，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊在多光子糾纏領(lǐng)域始終保持著國際領(lǐng)先水平，并于2016年底把紀(jì)錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊此次利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計算原型機(jī)。

潘建偉說：“實驗測試表明，該原型機(jī)的‘玻色取樣速度不僅比國際同行類似的之前所有實驗加快至少2.4萬倍，同時，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機(jī)（ENIAC）和第一臺晶體管計算機(jī)（TRADIC）運行速度快10～100倍。”

這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典超級計算能力的量子計算這一國際學(xué)術(shù)界稱之為“量子稱霸”的目標(biāo)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

“量子計算領(lǐng)域有幾個大家共同努力的指標(biāo)性節(jié)點：第一，展示超越首臺電子計算機(jī)的計算能力；第二，展示超越商用CPU的計算能力；第三，展示超越超級計算機(jī)的計算能力。我們實現(xiàn)的只是其中的第一步，也是一小步，但是是重要的一步?！迸私▊フf。

“朝著這個目標(biāo)，我們研究團(tuán)隊將計劃在今年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，將接近目前最好的商用CPU?！标懗栒f。

但由于高精度量子操控技術(shù)的極端復(fù)雜性，目前量子計算研究仍處于早期發(fā)展階段?！跋窠?jīng)典計算機(jī)那樣具有通用功能的量子計算機(jī)最終能否研制成功，對整個科學(xué)界還是個未知數(shù)?！迸私▊フf。

在信息安全、醫(yī)學(xué)檢測、導(dǎo)航等方面，量子技術(shù)未來將極大地改變生活

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，對計算能力的需求可以用一個詞來形容，就叫做“貪得無厭”。同時，計算能力的強弱也對社會的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)人們能夠把數(shù)據(jù)里面有效的數(shù)據(jù)結(jié)果都通過計算給提取出來的話，每一個數(shù)據(jù)才會成為真正的財富。

談到量子計算機(jī)未來的應(yīng)用前景，潘建偉充滿信心：“我認(rèn)為量子技術(shù)領(lǐng)域目前主要有幾個方面離實用非常近：量子通信主要是用在保密方面，它可以大大提高信息安全水平。除此之外，量子計算可能很快在某些特定計算方面超越目前傳統(tǒng)的超級計算。這些技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測、藥物設(shè)計、基因分析、各種導(dǎo)航等方面也將起到巨大的作用，會給我們的生活帶來極大的改變。比如，我們現(xiàn)在的天氣預(yù)報只能預(yù)報幾天，因為如果要預(yù)報第六天、第七天，計算的時間可能需要100天，而100天后再來預(yù)測第六七天的天氣就沒什么意義了。”

據(jù)潘建偉介紹，在我國即將啟動的量子通信和量子計算機(jī)的重大項目里，對光、超導(dǎo)、超冷原子等方向上都已經(jīng)做了相應(yīng)的布局。

“在以后的10到15年里，量子技術(shù)領(lǐng)域的競爭將是非常激烈的。比如英國啟動了國家量子技術(shù)專項、歐盟啟動了量子旗艦專項、美國在論證相應(yīng)的計劃。包括谷歌、IBM、微軟等在內(nèi)的一些美國公司也都介入到相關(guān)研發(fā)了?！迸私▊フf。

延伸閱讀

多個狀態(tài)同時疊加 不可分割不可克隆 量子世界里，真的很神秘

量子是什么？量子是最小的、不可再分割的能量單位。這個概念誕生于1900年，物理學(xué)家普朗克在德國物理學(xué)會上公布了他的成果，成為量子論誕生和新物理學(xué)革命宣告開始的偉大時刻。

分子、原子、電子，其實都是量子的不同表現(xiàn)形式?？梢哉f，我們的世界是由量子組成的。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說，在宏觀世界里，物體的位置、速度等運動規(guī)律，都可以通過牛頓力學(xué)精確地測算。但在量子微觀世界里，有著與宏觀世界截然不同的規(guī)則。

量子的神秘之處首先體現(xiàn)在它的“狀態(tài)”。在宏觀世界里，任何一個物體在某一時刻有著確定的狀態(tài)和確定的位置。但在微觀世界里，量子卻同時處于多種狀態(tài)和多個位置的“疊加”。

量子力學(xué)的開創(chuàng)者之一、奧地利物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓來比喻量子態(tài)疊加：箱子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的。但如果在量子世界中，它同時處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。

量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”。也就是說，如果你去測量一個量子，那么它就會從多個狀態(tài)、多個位置，變成一個確定的狀態(tài)和一個確定的位置。如果你打開“薛定諤的箱子”，貓的疊加狀態(tài)就會消失，你會看到一只活貓或一只死貓。

如果說一個量子已經(jīng)很“奇怪”，那么當(dāng)兩個量子“糾纏”在一起，那種不確定性更強了。根據(jù)量子力學(xué)理論，如果兩個量子之間形成了“糾纏態(tài)”，那么無論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個量子也會超光速“瞬間”發(fā)生如同心靈感應(yīng)的變化。

雖然直至今天，人類仍然還沒搞清楚量子為何如此神秘，但國際主流學(xué)界已經(jīng)接受了量子這種特殊性的客觀存在。更重要的是，人們可以利用量子的奇異特性開發(fā)創(chuàng)新型應(yīng)用，比如量子通信和量子計算。

量子通信是科學(xué)界利用量子特性最早開發(fā)的信息應(yīng)用，其“不可分割”“測不準(zhǔn)”“不可克隆”等特性，使得理論上“絕對安全”的量子通信成為可能。

而基于量子的疊加態(tài)與糾纏特性，量子計算機(jī)被認(rèn)為將是最具威力的量子信息應(yīng)用。未來，其超級計算能力的實現(xiàn)，將為金融分析、氣象預(yù)報等大規(guī)模計算提供全新的方案。量子計算機(jī)還可以通過“模擬”，來解決科學(xué)研究中的一些未解之謎。

（據(jù)新華社上海5月3日電 記者陳芳、徐海濤、周琳）