壯哉！“中國造”光量子計算機誕生

　　計算機作為20世紀最偉大的發(fā)明之一，隨著(zhù)摩爾定律邁向終結，性能提升面臨瓶頸。后摩爾定律時(shí)代，我們又要通過(guò)什么途徑提高運算速度呢?答案是量子計算。量子計算機具有強大的計算能力，可以解決傳統計算機難以或者不能解決的問(wèn)題。

　　就在今天，科技界迎來(lái)了一則重磅消息：世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機誕生。中國科學(xué)院5月3日在上海舉行新聞發(fā)布會(huì )，對外發(fā)布了這一消息，這個(gè)“世界首臺”是貨真價(jià)實(shí)的“中國造”，屬中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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)王浩華教授研究組攻關(guān)突破的成果。

　　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。研究團隊還實(shí)現了目前世界上最大數目超導量子比特的糾纏，并在超導量子處理器上實(shí)現了快速求解線(xiàn)性方程組的量子算法。

　　據介紹，潘建偉、陸朝陽(yáng)等利用自主發(fā)展的綜合性能?chē)H最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，并通過(guò)電控可編程的光量子線(xiàn)路，構建了針對多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計算原型機。

　　實(shí)驗測試表明，該原型機的取樣速度比國際同行類(lèi)似的實(shí)驗加快至少24000倍，同時(shí)，通過(guò)和經(jīng)典算法比較，也比人類(lèi)歷史上第一臺電子管計算機(ENIAC)和第一臺晶體管計算機(TRADIC)運行速度快10-100倍。

　　潘建偉稱(chēng)，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(shí)現超越經(jīng)典計算能力的量子計算奠定了基礎。

　　量子計算機的誕生

　　量子計算機的誕生，是摩爾定律發(fā)展到一定階段的結果，也與物理學(xué)家們提出的設想有關(guān)。

　　摩爾定律的技術(shù)基礎是不斷提高電子芯片的集成度(單位芯片的晶體管數)。集成度不斷提高，速度就不斷加快，我們的手機、電腦就能不斷更新?lián)Q代。

　　但在物理學(xué)家們看來(lái)，摩爾定律的技術(shù)基礎，天然地受到兩個(gè)主要物理限制。

　　一是隨著(zhù)單位芯片上晶體管數越來(lái)越多，運行時(shí)計算機溫度必然迅速上升，必須消耗大量能量來(lái)散熱，否則芯片將被燒壞。

　　二是為了提高集成度，晶體管越做越小，當小到只有一個(gè)電子時(shí)，量子效應就會(huì )出現。電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應，本來(lái)無(wú)法穿過(guò)的壁壘也穿過(guò)去了，所以量子效應會(huì )阻礙信息技術(shù)繼續按照摩爾定律發(fā)展。

　　這兩個(gè)限制就是物理學(xué)家們預言摩爾定律會(huì )終結的理由所在。而這就提出了一個(gè)問(wèn)題:在后摩爾時(shí)代，提高運算速度的途徑是什么?答案是量子計算。

　　量子計算機成長(cháng)史

　　史蒂芬·威斯納在1969年最早提出“基于量子力學(xué)的計算設備”。1980年代一系列的研究使得量子計算機的理論變得豐富起來(lái)。在1981年五月的MIT物理學(xué)和計算機技術(shù)的一次會(huì )議上，1918年出生的美國物理學(xué)家理查德·費曼，作了一個(gè)“Simulating Physics With Computers”的報告，揭開(kāi)了研究發(fā)展量子計算機的新篇章。

　　大事記

　　1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出“量子計算機”的概念。

　　1994年，貝爾實(shí)驗室的彼得·秀爾證明量子計算機能夠完成對數運算，且速度遠勝傳統計算機。

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

　　2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，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系統公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機。

　　2007年，維也納大學(xué)的安東·齊林格和他的同事們用一對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。

　　2009年11月15日，世界首臺可編程的通用量子計算機正式在美國誕生。不過(guò)根據初步的測試程序顯示，該計算機還存在部分難題需要進(jìn)一步解決和改善。

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

　　2010年3月，德國于利希研究中心發(fā)表公報：該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機。

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

　　2013年5月，德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的科學(xué)家格哈德·瑞普領(lǐng)導的科研小組，首次成功地實(shí)現了用單原子存儲量子信息——將單個(gè)光子的量子狀態(tài)寫(xiě)入一個(gè)銣原子中，經(jīng)過(guò)180微秒后將其讀出。最新突破有望助力科學(xué)家設計出功能強大的量子計算機，并讓其遠距離聯(lián)網(wǎng)構建“量子網(wǎng)絡(luò )”。

　　2013年6月8日，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的量子光學(xué)和量子信息團隊的陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè )研究小組，在國際上首次成功實(shí)現了用量子計算機求解線(xiàn)性方程組的實(shí)驗。

　　2014年1月3日，美國國家安全局(NSA)正在研發(fā)一款用于破解加密技術(shù)的量子計算機，希望破解幾乎所有類(lèi)型的加密技術(shù)。

　　2015年12月，以杜教授為首的中國科技大學(xué)研究人員小組建立了一個(gè)新的系統，這個(gè)系統可以使用相應的方式退出體系結構。其量子計算能夠在普通室溫的條件下工作，這是借助于金剛石中少量的氮來(lái)完成的，金剛石建成世界上首臺量子計算機。

　　2016年8月最新一期的物理領(lǐng)域重要期刊《自然·光子學(xué)》在線(xiàn)發(fā)表的一個(gè)重要成果：中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室李傳鋒教授研究組研制出一種全新的量子計算機——非局域性量子模擬器。