2017年5月3日：世界首臺(tái)單光子量子計(jì)算機(jī)誕生的那一刻

2017年5月3日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉在上海宣布，世界首臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)在我國(guó)誕生。這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算這一被國(guó)際學(xué)術(shù)界稱(chēng)為“量子稱(chēng)霸”的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為何要研制量子計(jì)算機(jī)

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)性能的提升完全符合摩爾定律預(yù)測(cè)，即每18個(gè)月集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計(jì)算機(jī)的性能也相應(yīng)提升近一倍。但2005年后這種趨勢(shì)就開(kāi)始放緩，極其微小的集成電路面臨散熱等問(wèn)題考驗(yàn)。如果按這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)集成電路的尺寸接近原子級(jí)別的時(shí)候，電子的運(yùn)動(dòng)也不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，這個(gè)時(shí)候量子力學(xué)將起到主導(dǎo)作用。量子計(jì)算利用量子相干疊加原理，具有超快的并行計(jì)算和模擬能力，計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。并行計(jì)算讓量子計(jì)算機(jī)1秒鐘就可完成超級(jí)計(jì)算機(jī)幾年的計(jì)算任務(wù)，幾天內(nèi)就能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)年時(shí)間才能處理的問(wèn)題。

由于量子計(jì)算機(jī)巨大的潛在價(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)。目前，國(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)為基于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路體系的量子計(jì)算技術(shù)最有可能取得突破，我國(guó)在這三個(gè)方面均有世界領(lǐng)先的表現(xiàn)。

我國(guó)量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)先世界

在光子體系，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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、八光子和十光子糾纏，一直保持著國(guó)際領(lǐng)先水平。2018年又刷新了世界光子糾纏新紀(jì)錄，提升到18個(gè)光量子糾纏，并自主研發(fā)了世界上最高品質(zhì)和最高效率的量子點(diǎn)單光子源。潘建偉研究團(tuán)隊(duì)利用該量子點(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)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該原型機(jī)的取樣速度比國(guó)際同行類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)加快至少2.4萬(wàn)倍。同時(shí)，通過(guò)和經(jīng)典算法比較，也比人類(lèi)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）的運(yùn)行速度快10～100倍。

在超導(dǎo)體系，2015年，谷歌、美國(guó)國(guó)家航空航天局和加州大學(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年被中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)打破。潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過(guò)發(fā)展全局糾纏操作，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測(cè)量。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)用這一處理器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。由于藥物篩選、星體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、氣象預(yù)報(bào)等很多問(wèn)題其實(shí)都可以歸結(jié)為線性方程問(wèn)題，因此這也就說(shuō)明，基于超導(dǎo)線路體系的量子計(jì)算機(jī)有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

這意味著我國(guó)科學(xué)家在基于光子體系和超導(dǎo)體系的量子計(jì)算機(jī)研究方面都取得重大突破：在光量子計(jì)算機(jī)研究中，建造了世界上超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)；在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)研究中，實(shí)現(xiàn)了世界上糾纏數(shù)目最多的超導(dǎo)量子比特處理器。

量子計(jì)算機(jī)的未來(lái)發(fā)展優(yōu)勢(shì)

量子計(jì)算機(jī)不會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，但將會(huì)在執(zhí)行對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)太過(guò)復(fù)雜的任務(wù)方面表現(xiàn)出眾，特別是那些需要在大數(shù)據(jù)里面展開(kāi)搜索和對(duì)大數(shù)進(jìn)行質(zhì)因數(shù)分解的任務(wù)。這就使得它能夠在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景有很好的優(yōu)勢(shì)，如加密通信、藥物設(shè)計(jì)、交通治理、天氣預(yù)測(cè)、人工智能、太空探索等領(lǐng)域。

在天氣預(yù)測(cè)方面，量子計(jì)算機(jī)可以幫助人類(lèi)建立更好的氣候模型，從而讓我們更深入地了解人類(lèi)是如何影響環(huán)境的。這些模型是我們用來(lái)對(duì)未來(lái)氣候變暖進(jìn)行評(píng)估的工具，可以幫助人類(lèi)確定需要采取什么措施來(lái)防止災(zāi)難的發(fā)生。

在加密通信領(lǐng)域，一切現(xiàn)有的密碼學(xué)都將被重新改寫(xiě)，因?yàn)橛昧孔佑?jì)算機(jī)能輕易破譯所有密碼。如經(jīng)典的RSA算法，若用400位數(shù)的整數(shù)來(lái)做一個(gè)RSA密鑰，依托現(xiàn)有的經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要60萬(wàn)年才能完成破譯，但是對(duì)于量子計(jì)算機(jī)只要3個(gè)小時(shí)就能夠破譯。

在藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)一種新藥需要開(kāi)展無(wú)數(shù)不同分子組合方式的實(shí)驗(yàn)，才能夠找到有效治愈某種疾病的藥物特性，這個(gè)過(guò)程需要持續(xù)數(shù)年。量子計(jì)算機(jī)能在短期內(nèi)繪制數(shù)以萬(wàn)計(jì)的分子組合模式，并迅速確定最有可能生效的組合，極大地節(jié)省藥物的研發(fā)成本和周期。

在材料科學(xué)方面，我們常用的塑料就是一種人工合成的復(fù)合材料，如果我們通過(guò)量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬計(jì)算分子結(jié)構(gòu)，可以合成耐高溫、耐極寒，或者更輕薄、更堅(jiān)硬的新型復(fù)合材料。

在交通治理方面，通過(guò)量子計(jì)算機(jī)，我們可以把整個(gè)城市甚至整個(gè)地球上所有人的出行計(jì)劃全部輸入進(jìn)去，它就能瞬間設(shè)計(jì)出最佳出行路線，從而讓人們徹底告別交通擁堵。

（本刊記者）

【責(zé)任編輯】蒲 暉