預(yù)見(jiàn)未來(lái)黑科技：光量子計(jì)算機(jī)

5月27日，在貴州貴陽(yáng)召開(kāi)的2017中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)正式發(fā)布“十大黑科技”，其中信息技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施類單元中，中國(guó)光量子計(jì)算機(jī)獲得“大數(shù)據(jù)類最佳黑科技獎(jiǎng)”。這是繼5月3日，國(guó)際著名物理學(xué)家、量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域開(kāi)拓者之一、中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉在上海正式發(fā)布研究成果“中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建光量子計(jì)算機(jī)并首次演示了超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算能力”之后，中國(guó)光量子計(jì)算機(jī)率先在數(shù)博會(huì)上“展露真容”。

光量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了兩大重要突破：首先，這是由中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)完成的世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)；其次，這也是世界上糾纏數(shù)目最多（10個(gè)）的超導(dǎo)量子比特處理器。光量子計(jì)算機(jī)的誕生，標(biāo)志著我國(guó)在基于光子的量子計(jì)算機(jī)研究方面取得突破性進(jìn)展，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

這臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)由潘建偉院士及其中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)同事陸朝陽(yáng)、朱曉波等，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(jì)算機(jī)研究方面共同完成的光量子計(jì)算機(jī)，是地地道道的“中國(guó)制造”，為邁入量子計(jì)算時(shí)代奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。未來(lái)的新型計(jì)算機(jī)，或許將由中國(guó)光量子計(jì)算機(jī)重新定義。

在理解量子計(jì)算機(jī)之前，我們首先需要知道什么是量子糾纏和量子疊加原理。按照經(jīng)典計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)原理，科學(xué)家們?cè)趥鹘y(tǒng)芯片的晶體管中，用0和1的二進(jìn)制來(lái)表示信息。但在量子力學(xué)的世界里，依據(jù)量子的物理性質(zhì)，它能夠呈現(xiàn)疊加狀態(tài)，能同時(shí)表示0和1。處于疊加態(tài)的量子比特能以一種叫做量子糾纏的現(xiàn)象相互聯(lián)系，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)量子比特的行為能瞬間影響到另一個(gè)量子比特。

依據(jù)量子比特的特殊性，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼最早提出了量子計(jì)算機(jī)。按照他當(dāng)時(shí)的設(shè)想，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象，運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少。所謂量子計(jì)算機(jī)是指利用量子相干疊加原理，在理論上具有超快的并行計(jì)算和模擬能力的計(jì)算機(jī)。隨著可操縱的微觀粒子數(shù)增加，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。一臺(tái)操縱50個(gè)微觀粒子的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)特定問(wèn)題的處理能力可超過(guò)目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。例如，使用億億次的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的方程組，所需時(shí)間為100年；而使用一臺(tái)萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

費(fèi)曼對(duì)量子計(jì)算機(jī)概念的闡述還有個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景描述：你被要求5分鐘內(nèi)在國(guó)會(huì)圖書館某一本書的某頁(yè)上找到一個(gè)大寫字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)槟抢镉?000萬(wàn)冊(cè)書。但是如果你處于5000萬(wàn)個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書籍，那么你肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就像是前一種情形中瘋子般的那個(gè)你，需要在5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計(jì)算機(jī)卻能復(fù)制出5000萬(wàn)個(gè)你，每個(gè)只需翻找一本書即可。

目前國(guó)際上學(xué)術(shù)界對(duì)于量子計(jì)算技術(shù)的研究有很多方案，其中包括基于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路等3個(gè)受到廣泛關(guān)注的體系。由于量子計(jì)算的巨大潛在價(jià)值，歐美各國(guó)都在積極整合各方面研究力量和資源，開(kāi)展協(xié)同攻關(guān)，同時(shí)，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強(qiáng)勢(shì)介入量子計(jì)算研究。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子、八光子糾纏，一直保持著國(guó)際領(lǐng)先水平，并于2016年年底把紀(jì)錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，潘建偉、陸朝陽(yáng)等利用自主發(fā)展的綜合性能國(guó)際最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，通過(guò)電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對(duì)多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)。

潘建偉團(tuán)隊(duì)的此次實(shí)驗(yàn)，使得中國(guó)的超導(dǎo)體系量子計(jì)算機(jī)研究，進(jìn)入世界一流水平行列。根據(jù)量子計(jì)算測(cè)試結(jié)果，基于單光子的量子計(jì)算原型機(jī)取樣速度比國(guó)際同行類似的之前所有實(shí)驗(yàn)加快至少24000倍；通過(guò)和經(jīng)典算法比較，比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）運(yùn)行速度快10？100倍。

在超導(dǎo)體系已經(jīng)公開(kāi)的結(jié)果中，2015年，谷歌、美國(guó)航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。這個(gè)紀(jì)錄在2017年被打破，包括潘建偉、朱曉波、王浩華和陸朝陽(yáng)在內(nèi)的中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，成功實(shí)現(xiàn)目前世界上最大數(shù)目即10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測(cè)量。研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步利用超導(dǎo)量子線路演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過(guò)量子計(jì)算的并行性加速求解線性方程組的可行性。

2016年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首次成功實(shí)現(xiàn)“十光子糾纏”。多粒子糾纏操縱作為量子信息處理基本能力的核心指標(biāo)，近年來(lái)一直是國(guó)際學(xué)界角逐的焦點(diǎn)。操縱的糾纏光子數(shù)目越多，量子信息處理能力就會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)，但同時(shí)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的難度也急劇增加。

經(jīng)過(guò)努力，潘建偉教授及其同事陸朝陽(yáng)、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，把比特?cái)?shù)目擴(kuò)展到10個(gè)，并制備了10比特的糾纏GHZ態(tài)，保真度大于66%，據(jù)介紹，在目前公開(kāi)的結(jié)果中，這是超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)中糾纏的數(shù)目最多的。

從最初的3比特，到5比特，到6比特，再到如今的10比特，此次測(cè)試的成功標(biāo)志著中國(guó)在超導(dǎo)量子比特集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制備、控制與測(cè)量等各方面都打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。潘建偉院士說(shuō)：“要造出有一定應(yīng)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)，還需要10到20年的努力?！备鶕?jù)計(jì)劃，潘建偉院士的研究團(tuán)隊(duì)要在今年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，20個(gè)超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測(cè)試；到2020年做到45至50個(gè)光量子比特的操縱，最終實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的“量子稱霸”目標(biāo)。

2015年7月30日，亞洲首個(gè)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室——“中國(guó)科學(xué)院—阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”正式在上海成立。實(shí)驗(yàn)室將結(jié)合阿里云在經(jīng)典計(jì)算算法、架構(gòu)和云計(jì)算方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及中科院在量子計(jì)算和模擬、量子人工智能等方面的優(yōu)勢(shì)，顛覆摩爾定律，開(kāi)展在量子信息科學(xué)領(lǐng)域的前瞻性研究，探索超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的下一代超快計(jì)算技術(shù)。在今年3月的深圳云棲大會(huì)上，阿里云公布了全球首個(gè)云上量子加密通訊案例，通過(guò)建立多個(gè)量子安全傳輸域，為客戶提供無(wú)條件安全數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。馬云在宣布啟動(dòng)阿里巴巴的“NASA計(jì)劃”時(shí)曾表示，量子計(jì)算就是阿里巴巴解決20年后計(jì)算資源稀缺的秘密武器。預(yù)計(jì)到2025年，量子計(jì)算將達(dá)到當(dāng)今世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的水平，將應(yīng)用于一些目前無(wú)法解決的重大科技難題。

（參考來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、《自然·光子學(xué)》）

附錄：量子應(yīng)用大事記

1982年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼提出“量子計(jì)算機(jī)”的概念。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾證明量子計(jì)算機(jī)能夠完成對(duì)數(shù)運(yùn)算，且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

1997年，科學(xué)家首次用一對(duì)糾纏光子實(shí)現(xiàn)了量子信息傳輸。

2005年，世界第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)在美國(guó)誕生，基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

2007年，維也納大學(xué)的安東·齊林格和他的同事們用一對(duì)糾纏光子在加那利群島的兩個(gè)島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過(guò)了143千米。

2010年1月，美國(guó)哈佛大學(xué)和澳洲昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國(guó)于利希研究中心發(fā)表公報(bào)：該中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)JUGENE成功模擬了42位的量子計(jì)算機(jī)。

2010年，中國(guó)科大—清華大學(xué)聯(lián)合小組成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，傳輸距離達(dá)16公里。

2012年3月，IBM做到了在減少基本運(yùn)算誤差的同時(shí)，保持量子比特的量子機(jī)械特性完整性。

2015年7月，中國(guó)科學(xué)院與阿里巴巴集團(tuán)旗下阿里云共同成立“中國(guó)科學(xué)院—阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”，開(kāi)展在量子信息科學(xué)領(lǐng)域的前瞻性研究。

2016年8月，我國(guó)自主研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功升空。

2017年5月3日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉在上海宣布中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建光量子計(jì)算機(jī)，并首次演示了超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算能力。