量子計算機開啟中國速度

在位于上海浦東新區(qū)的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院實驗大樓內(nèi)，一個不足3平方米的工作臺上，上百個元器件看似毫無規(guī)則地自由生長著：有的上面光禿無物，有的則頂著像放大鏡模樣的波片，大小不一，形態(tài)各樣，周邊框梁布滿了光纖。很難想象，這就是剛剛問世的中國光量子計算機的主體，一個甫一面世就成了中國科技界乃至世界科技界的閃耀明星。

5月3日，這臺計算機的研制方——中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院在這里宣布，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華研究組，構(gòu)建了這臺基于單光子的量子計算機，這是世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機。

一時間評價紛至沓來：“中國科學(xué)家再次站在了創(chuàng)新的前沿”“量子計算將徹底改變?nèi)祟愇磥淼膽?yīng)用前景”……就連這次成果的焦點人物潘建偉也提到，“量子計算研究就像雨后春筍，到了爆發(fā)式發(fā)展的關(guān)鍵時刻。”那么這臺中國造的量子計算機究竟能有何能耐，又將為我們帶來什么？

計算速度加快2.4萬倍

量子計算機是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的并行計算和模擬能力的計算機。計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。

曾有人打過一個比方：如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就如同飛機。例如，使用億億次的天河二號超級計算機求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年，而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

因為計算能力的革命性突破，如同蒸汽機之于工業(yè)文明，量子計算機將成為未來科技的引擎。實驗測試表明，該原型機的取樣速度不僅比國際同行類似的實驗加快至少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和第一臺晶體管計算機運行速度快10倍到100倍。“這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的基于單光子的量子模擬機，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)?！迸私▊ブ赋觥?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/06/21/fmcz201706fmcz20170641-1-l.jpg" style="">

計劃年底實現(xiàn)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年底把紀錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，團隊此次利用自主發(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。

“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，但同時是重要的一步?！迸私▊フf。

曾經(jīng)有科學(xué)家預(yù)測，除非量子計算機操控的比特數(shù)超過50個，量子計算機才能超過現(xiàn)有的經(jīng)典計算機。此次，中國科學(xué)家的成果為10個超導(dǎo)量子比特，超過了之前由谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校公開報道的9個超導(dǎo)量子比特的紀錄。

但也有分析稱，盡管歐美等國公開報道的成果是9個，但谷歌之前已經(jīng)放話，要在今年底之前把超導(dǎo)量子計算做到50個比特。因此，這一領(lǐng)域的競爭還遠未結(jié)束。更何況即使獲得了量子計算霸權(quán)，讓其真正具備解決問題的能力也是路途漫漫。

在潘建偉看來，谷歌、IBM等公司擁有人才優(yōu)勢。尤其是谷歌，目前仍可以算是量子計算機領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。但這次研究團隊通過高精度脈沖控制和全局糾纏操作實現(xiàn)10比特量子態(tài)的成果，使中國在超導(dǎo)體系量子計算機研究領(lǐng)域也進入世界一流水平行列。

根據(jù)計劃，潘建偉的研究團隊將在今年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計、制備和測試，量子計算機的速度將會成指數(shù)增長。也許到時一張閃亮的國家名片又將出現(xiàn)。

量子技術(shù)未來將極大改變生活

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，對計算能力的需求可以用“貪得無厭”來形容。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)人們能把有效的數(shù)據(jù)結(jié)果都通過計算給提取出來，每一個數(shù)據(jù)才會成為真正的財富。

談到量子計算機未來的應(yīng)用前景，潘建偉充滿信心：“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，會給人們的生活帶來極大改變?！?/p>

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年到15年里，量子技術(shù)領(lǐng)域的競爭將非常激烈。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)的一些美國公司也已介入相關(guān)研發(fā)?！迸私▊フf。（本刊綜合）