厲害了，量子計(jì)算機(jī)

佘惠敏

世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)已在中國誕生——中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院于2017年5月3日在上海發(fā)布的這個(gè)消息驚動了世界。

這是一臺什么樣的計(jì)算機(jī)？傳說中可秒殺現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)何時(shí)能走入現(xiàn)實(shí)？

中國量子：奠定“量子稱霸”基礎(chǔ)

什么是量子計(jì)算機(jī)？當(dāng)某個(gè)物理裝置運(yùn)算、存儲和處理的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)是國際研究熱點(diǎn)，世界各國的科學(xué)家們?yōu)橹O(shè)計(jì)了多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑?，F(xiàn)在進(jìn)展最快的有3類量子計(jì)算機(jī)：光量子計(jì)算機(jī)、超冷原子量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。而我國科學(xué)家2017年5月3日發(fā)布的量子計(jì)算機(jī)成果有兩個(gè)，分別屬于光量子計(jì)算機(jī)和超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)范疇。

光量子計(jì)算機(jī)

在光量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、陸朝陽教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，研制出一種操控5個(gè)粒子（即5個(gè)光量子比特）的光量子計(jì)算原型機(jī)。在完成“玻色取樣”任務(wù)時(shí)，它的速度不僅比國際同行之前所有類似實(shí)驗(yàn)的最高紀(jì)錄加快至少24 000倍，同時(shí)，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計(jì)算機(jī)ENIAC和第一臺晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC的運(yùn)行速度快10～100倍。

“玻色取樣”是計(jì)算復(fù)雜度隨著粒子數(shù)的增加而指數(shù)增長的一類數(shù)學(xué)問題，特別適合用量子計(jì)算機(jī)來計(jì)算。

“與我們這臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算原型機(jī)比起來，之前報(bào)道過的同類量子計(jì)算機(jī)只是沒法實(shí)用的游戲機(jī)?！迸私▊フf。

5月2日，該研究成果以長文的形式在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。審稿人評價(jià)稱，中國科學(xué)家“建造出了第一代量子計(jì)算機(jī)，是量子計(jì)算機(jī)中的●ENIAC”。

國際學(xué)術(shù)界將量子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力超過現(xiàn)有經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)的目標(biāo)，稱為“量子稱霸”。中國的這臺光量子計(jì)算機(jī)，是人類歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子模擬機(jī)，為人類最終實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“玻色取樣”任務(wù)中，目前最快的超級計(jì)算機(jī)能處理約45個(gè)粒子?！拔覀冇?jì)劃在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，對玻色取樣問題的計(jì)算能力就能超越現(xiàn)有最好的商用CPU電子計(jì)算機(jī)。”潘建偉說。

超導(dǎo)量子計(jì)算

在超導(dǎo)體系，2015年，谷歌、美國國家航空航天局（NASA）和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校宣布實(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年被中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次打破。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波、浙江大學(xué)教授王浩華的研究團(tuán)隊(duì)和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的多體純糾纏，并通過層析測量方法完整地刻畫了10比特量子態(tài)。

“簡單地說，我們做出了10量子的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)CPU芯片，并用它演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計(jì)算的并行性加速求解線性方程組的可行性?！敝鞎圆ㄕf。目前研究團(tuán)隊(duì)正在致力于20個(gè)超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測試，并計(jì)劃于今年年底前發(fā)布量子云計(jì)算平臺。

量子計(jì)算：計(jì)算機(jī)中的“戰(zhàn)斗機(jī)”

如果把現(xiàn)在傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)比作自行車，那么，初試啼聲的量子計(jì)算機(jī)就好比飛機(jī)，它未來的計(jì)算能力將秒殺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)有的電子計(jì)算機(jī)，1個(gè)物理比特只能存儲1個(gè)邏輯態(tài)——或者0，或者1。而量子計(jì)算機(jī)利用的是量子的相干疊加原理，可以制備在兩個(gè)邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，1個(gè)量子比特（量子信息的計(jì)量單位）可以同時(shí)存儲0和1。

這意味著量子計(jì)算機(jī)的處理能力將隨著比特?cái)?shù)的增加而呈指數(shù)級上升。量子計(jì)算機(jī)有N個(gè)比特，就可以一次對2的N次方個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)算上2的N次方次。

量子計(jì)算計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，這可以為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。

“分解300位大數(shù)，利用萬億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要15萬年，利用萬億次量子計(jì)算機(jī)只需要1秒?！迸私▊ヮA(yù)測，2020年左右超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)就可以操縱50個(gè)量子比特，屆時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”，在處理一些特定問題的能力上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)中計(jì)算能力最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)。他還預(yù)計(jì)，10年內(nèi)量子計(jì)算機(jī)將可能實(shí)現(xiàn)對100個(gè)粒子的相干操縱，屆時(shí)它處理特定問題的能力就可以達(dá)到現(xiàn)有最強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)的百億億倍，或者目前全世界計(jì)算能力總和的百萬倍。

我國將要啟動的人工智能2.0計(jì)劃中，就有量子人工智能的專門部分，其技術(shù)基礎(chǔ)就是量子計(jì)算機(jī)。而在這之前，“我們首先要通過三五年努力，實(shí)現(xiàn)量子稱霸，讓量子計(jì)算機(jī)在某些特定問題上超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)。”

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指數(shù)級增加有多么厲害呢？我們來看個(gè)故事吧：傳說中有一名宰相發(fā)明了國際象棋獻(xiàn)給國王，國王問他需要什么獎勵時(shí)，他說只需要賞賜一些麥子即可：在棋盤上第1個(gè)格子里放1顆，第2格放2顆，第3格4顆，此后每一格放的麥子數(shù)都是前一格的2倍。國王以為這個(gè)賞賜很容易，卻發(fā)現(xiàn)整個(gè)國庫的糧食全放進(jìn)去都不夠。原來，國際象棋有64格，那么需要的麥?？傤w數(shù)就是2的64次方減1，這大約是140萬億升小麥，需要全世界生產(chǎn)2 000年！

展望未來：遇到難題交給“量子”

量子計(jì)算機(jī)這么牛，電子計(jì)算機(jī)還能跟它好好做朋友嗎？這是當(dāng)然，在科學(xué)家們眼里，它們是可以“哥倆好”的。

光量子計(jì)算機(jī)包含3個(gè)主要部分。

第一部分是單光子源，在-269 ℃的低溫中，這個(gè)設(shè)備通過激光激發(fā)量子點(diǎn)，每次產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的單光子，是國際上最高品質(zhì)和最高效率的單光子源?！澳壳拔覀兇罱ǖ倪@個(gè)設(shè)備是國際上綜合性能最優(yōu)的，產(chǎn)生的單光子品質(zhì)比國際第二名要高10～100倍。”陸朝陽說。

第二部分是超低損耗光量子線路。單光子通過開關(guān)分成5路，通過光纖導(dǎo)入主體設(shè)備光學(xué)量子網(wǎng)絡(luò)。研究員操控5個(gè)單光子，分別進(jìn)入光量子網(wǎng)絡(luò)的16×16矩陣，在矩陣中對光量子進(jìn)行操作。

第三部分是單光子探測器，探測矩陣中得到的量子計(jì)算結(jié)果。

多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的核心資源，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)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10光子糾纏。光量子計(jì)算機(jī)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，通過電控可編程的光量子線路構(gòu)建而成。

顧名思義，量子計(jì)算機(jī)需要對量子進(jìn)行高精度的調(diào)控，需要極低的溫度。三大目前發(fā)展最快的量子計(jì)算機(jī)體系中，光量子計(jì)算機(jī)可以在室溫下運(yùn)行，但要在-269 ℃的低溫中產(chǎn)生單光子；超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的CPU芯片可以在常溫下展示，但它的真正運(yùn)行必須在接近絕對零度（-273.15 ℃）的環(huán)境中進(jìn)行；超冷原子量子計(jì)算機(jī)更不負(fù)其名，所需的低溫是三者中最低的，最接近絕對零度。

“量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)用化，未來全世界會有很多臺，但不需要家家都有?！迸私▊フf，量子計(jì)算機(jī)可以和現(xiàn)有的經(jīng)典計(jì)算機(jī)配合使用。以現(xiàn)有的手機(jī)終端為例，手機(jī)就是小型計(jì)算機(jī)，它要做成低溫的量子計(jì)算機(jī)會很難，也沒有必要?！暗憧梢酝ㄟ^云計(jì)算平臺，用手機(jī)把需要完成的計(jì)算任務(wù)送到云端，讓后臺的量子計(jì)算機(jī)來完成?！?/p>

潘建偉表示，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能算好的問題，量子計(jì)算機(jī)不需要再去介入。量子計(jì)算機(jī)瞄準(zhǔn)的，是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不能解決的難題?！氨热绮Ｉ訉?jīng)典計(jì)算機(jī)太難了，量子計(jì)算機(jī)在這方面就顯得特別強(qiáng)大?！?/p>

當(dāng)量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化以后，它能解決哪些實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的難題呢？

密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探、人工智能、大數(shù)據(jù)……總之，那些需要超大計(jì)算量的難題，交給量子計(jì)算機(jī)就對了！