量子計算機，開(kāi)啟中國速度

　　日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽(yáng)教授、朱曉波教授等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，在基于光子和超導體系的量子計算機研究方面取得了系列突破性進(jìn)展。3日，該研究團隊正式發(fā)布了這一系列研究成果。

　　潘建偉在現場(chǎng)宣布，在光學(xué)體系，研究團隊在去年首次實(shí)現十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源構建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機。

　　在超導體系，研究團隊打破了之前由谷歌、NASA(美國國家航空航天局)和UCSB(加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校)公開(kāi)報道的9個(gè)超導量子比特的操縱，實(shí)現了目前世界上最大數目(10個(gè))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。

　　系列成果已發(fā)表在國際權威學(xué)術(shù)期刊《自然光子學(xué)》，即將發(fā)表在《物理評論快報》上。

　　傳統電子計算機要算15萬(wàn)年的難題，量子計算機只需1秒

　　1981年，美國物理學(xué)家費曼指出，由于量子系統具有天然的并行處理能力，用它所實(shí)現的計算機很可能會(huì )遠遠超越經(jīng)典計算機。1994年，麻省理工學(xué)院的Peter Shor教授提出分解大質(zhì)因數的高效量子算法，量子計算引發(fā)了世界各國的強烈興趣。

　　“由于量子比特是0和1的疊加態(tài)，在原理上具有超快的并行計算和模擬能力，計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長(cháng)。這一特點(diǎn)使得量子計算可為經(jīng)典計算機無(wú)法解決的大規模計算難題提供有效解決方案。”潘建偉說(shuō)，“比如，300位10進(jìn)制那么長(cháng)數，用我們目前萬(wàn)億次的傳統電子計算機拿來(lái)算的話(huà)，大概需要算15萬(wàn)年。但如果能夠造出一臺量子計算機，它計算的頻率也是萬(wàn)億次的話(huà)，只需要1秒鐘就可以算完。從這個(gè)角度上講，量子的并行計算能力是非常強大的。”

　　此外，一臺操縱50個(gè)微觀(guān)粒子的量子計算機，對特定問(wèn)題的處理能力可超過(guò)超級計算機。

　　那哪些算特定問(wèn)題呢?

　　朱曉波說(shuō)：“比如說(shuō)大數字分解，這個(gè)是用于現在加密的一個(gè)標準的算法。那么你如果能解一個(gè)大數字分解，就能解密現在很多的加密算法。如果很多加密算法都失效了，國家金融安全、軍事安全等都會(huì )受到嚴重影響。還有，量子計算機做到一定規模之后，很有可能實(shí)現大數據的快速搜索，以后在解決搜索問(wèn)題的時(shí)候就具有巨大的優(yōu)勢。”

　　據專(zhuān)家介紹，根據各物理體系內在優(yōu)勢及其在實(shí)現多粒子相干操縱和糾纏方面的發(fā)展現狀和潛力，目前，國際學(xué)術(shù)界在基于光子、超冷原子和超導線(xiàn)路體系的量子計算技術(shù)發(fā)展上總體較為領(lǐng)先。

　　研究仍處早期，我國計劃在年底實(shí)現大約20個(gè)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(diǎn)。在光子體系，潘建偉團隊在多光子糾纏領(lǐng)域始終保持著(zhù)國際領(lǐng)先水平，并于2016年底把紀錄刷新至十光子糾纏。在此基礎上，團隊此次利用自主發(fā)展的綜合性能?chē)H最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，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。

　　潘建偉說(shuō)：“實(shí)驗測試表明，該原型機的‘玻色取樣’速度不僅比國際同行類(lèi)似的之前所有實(shí)驗加快至少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。”

　　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)典超級計算能力的量子計算這一國際學(xué)術(shù)界稱(chēng)之為“量子稱(chēng)霸”的目標奠定了堅實(shí)的基礎。

　　“量子計算領(lǐng)域有幾個(gè)大家共同努力的指標性節點(diǎn)：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(shí)現的只是其中的第一步，也是一小步，但是是重要的一步。”潘建偉說(shuō)。

　　“朝著(zhù)這個(gè)目標，我們研究團隊將計劃在今年年底實(shí)現大約20個(gè)光量子比特的操縱，將接近目前最好的商用CPU。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。

　　但由于高精度量子操控技術(shù)的極端復雜性，目前量子計算研究仍處于早期發(fā)展階段。“像經(jīng)典計算機那樣具有通用功能的量子計算機最終能否研制成功，對整個(gè)科學(xué)界還是個(gè)未知數。”潘建偉說(shuō)。

　　在信息安全、醫學(xué)檢測、導航等方面，量子技術(shù)未來(lái)將極大地改變生活

　　隨著(zhù)大數據時(shí)代的到來(lái)，對計算能力的需求可以用一個(gè)詞來(lái)形容，就叫做“貪得無(wú)厭”。同時(shí)，計算能力的強弱也對社會(huì )的發(fā)展起著(zhù)至關(guān)重要的作用。當人們能夠把數據里面有效的數據結果都通過(guò)計算給提取出來(lái)的話(huà)，每一個(gè)數據才會(huì )成為真正的財富。

　　談到量子計算機未來(lái)的應用前景，潘建偉充滿(mǎn)信心：“我認為量子技術(shù)領(lǐng)域目前主要有幾個(gè)方面離實(shí)用非常近：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的超級計算。這些技術(shù)在醫學(xué)檢測、藥物設計、基因分析、各種導航等方面也將起到巨大的作用，會(huì )給我們的生活帶來(lái)極大的改變。比如，我們現在的天氣預報只能預報幾天，因為如果要預報第六天、第七天，計算的時(shí)間可能需要100天，而100天后再來(lái)預測第六七天的天氣就沒(méi)什么意義了。”

　　據潘建偉介紹，在我國即將啟動(dòng)的量子通信和量子計算機的重大項目里，對光、超導、超冷原子等方向上都已經(jīng)做了相應的布局。

　　“在以后的10到15年里，量子技術(shù)領(lǐng)域的競爭將是非常激烈的。比如英國啟動(dòng)了國家量子技術(shù)專(zhuān)項、歐盟啟動(dòng)了量子旗艦專(zhuān)項、美國在論證相應的計劃。包括谷歌、IBM、微軟等在內的一些美國公司也都介入到相關(guān)研發(fā)了。”潘建偉說(shuō)。