重磅！中國量子計算機誕生，創世界紀錄

5月3日，科技界迎來了一則重磅消息：世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機誕生。中國科學院5月3日在上海舉行新聞發布會，對外發布了這一消息，這個「世界首台」是貨真價實的「中國造」，屬中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組攻關突破的成果。

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世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機最新就誕生在這個光學實驗室裡面，那可以看到由於現在還是處於一個研究階段，所以它跟我們想像的台式機並不一樣，這一大片光量子的信息處理系統，其實僅僅相當於現在經典計算機中的一個CPU部分。

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在這個原型機上運行一些量子演算法，我們發現它的速度比國際上第二名要快24000多倍，可以超過人類歷史上最早期的那些經典計算機，這標誌著我們可以構建出一些量子的機器，可以跟我們經典的機器同台競賽了。

在光量子計算取得突破性進展的同時，中國科學技術大學潘建偉研究團隊在基於超導線路體系的量子計算研究領域也取得重大成果，打破了此前谷歌、美國航天航空局等實現的9個超導量子比特的高精度操縱。

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量子計算機如果需要很好的工作的話，我們要把所有的量子比特都耦合，然後測量它，我們量子力學上把它叫糾纏，這個是目前報道的最多的這樣一個糾纏記錄，在超導量子比特領域，是十個。

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根據計劃，潘建偉研究團隊將在今年年底分別實現20個光量子比特和20個超導量子比特的操縱。隨著可操縱粒子數的增加，量子計算機的計算能力將會呈指數增長，可為經典計算機無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案。

量子計算機是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的並行計算和模擬能力的計算機。曾有人打過一個比方：如果現在傳統計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。例如，一台操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可超過目前最快的「神威·太湖之光」超級計算機。

多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領先水平。在超導體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學聖芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱。這個記錄在2017年被中國科學家團隊打破。

記者從中國科學院發布會上獲悉，潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發了10比特超導量子線路樣品，通過發展全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。進一步，研究團隊利用超導量子線路演示了求解線性方程組的量子演算法，證明了通過量子計算的並行性加速求解線性方程組的可行性。相關成果即將發表於國際權威期刊《物理評論快報》。

在光量子計算方面，潘建偉、陸朝陽等利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源，並通過電控可編程的光量子線路，構建了針對多光子「玻色取樣」任務的光量子計算原型機。實驗測試表明，該原型機的取樣速度不僅比國際同行類似的實驗加快至少24000倍，同時，通過和經典演算法比較，也比人類歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和第一台晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍。

潘建偉說，這是歷史上第一台超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機，為最終實現超越經典計算能力的量子計算奠定了基礎。5月2日，該研究成果以長文的形式在線發表於《自然光子學》。

什麼是量子計算

大家知道，現在量子通信非常火熱，我們的量子衛星之前已經運到酒泉去等著發射了，我們的京滬幹線在今年年底會開通。在這個炎熱的夏天，我想給大家帶來一點不一樣的、冷一點、酷一點的東西，我們這個叫冷原子，那冷原子是什麼呢？聽我給大家慢慢講來。

我們知道目前已知的物質、或者說已知的自然界有的、最冷的也就是液氦，大概4K左右，跟太陽表面也就只差了三個數量級。我想要講的這個冷，還在液氦的一萬倍以下，就是在10 -4K往下開始，它有趣的地方在哪？

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當在這個溫度往下開始，這個原子就不能再考慮它是一個粒子，而是必須得考慮它的波動的性質了，繼續往下冷，就可以冷到一個科學界或者說原子界的里程碑——玻色·愛因斯坦凝聚。

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隨著原子運動速度越來越慢，它越來越冷，慢慢展現出它的波動的性質出來，形象地比喻來說就是這個原子變得越來越胖，當它本身的波長和它的距離可以比擬的時候，就變成了你中有我，我中有你，所有的原子變成了一個量子態。

但是，與此同時在另外一個領域，在凝聚態系統裡面，大家在為理解電子的運動而犯愁的。電子運動本身很簡單，它一共有幾種運動，電子在格點上可以轉，在旁邊有空的格點它可以從這邊移到那邊去，互相之間可以交換。

這裡有一個最典型的或者說最美最妙的模型就是Hubbard模型，Hubbard大概在1963年提出來，這麼簡單的方程式就描述了剛剛非常簡單的運動。但是問題在哪？問題在這麼簡單的一個模型，這麼美的一個方程式，它解不出來。

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首先它解析解是沒有的，為了要解數值解，他所需要的計算資源跟粒子數是呈指數增長具體來講，我們現在的超算第一名，已經超過了天河二號的（神威）太湖之光，它所能處理的也就大概45個電子的運動，我們每個人都有的智能手機，它大概能處理25個，也就比神威少了20個。

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如果我們想要模擬300個電子運動，它所需要的存儲空間就是2 300，這個數字已經超過了目前我們已知宇宙的原子數總和。而我們知道，我們真的想要研究電子運動，實際上你要考慮的是成千上萬可能幾十億個非常多的遠不止這個數字的。

對於這個問題，費曼就提出來說，這個自然界它不是經典的，如果你想要模擬這個自然界實在是太難了，那你最好把這個計算機給量子化，他提出了量子計算與量子模擬的概念。

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什麼意思？就是相當於我用一個可控的量子體系，就是在他的體系裡面，就是用原子體系來模擬電子的體系。費曼提出的這個機制，某種意義上就是給電子建造一個風洞。用什麼？用冷原子。

為什麼要用冷原子？當原子進入到玻色·愛因斯坦凝聚之後，它每個原子都一樣了，在這個情況下才能夠使得原子它在格點上的行為能夠跟電子一模一樣。所以就是說它可以利用原子做一個最簡的可控模型，使計算能力得到重大的突破，當我們能夠操縱比如說50個原子的時候，現在就已經能超越神威太湖之光的計算能力了。

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費曼相當於提出了一個當時對玻色·愛因斯坦凝聚非常好的應用吧。不管怎麼樣，玻色愛因斯坦凝聚本身就是一個大家追求的里程碑式的一個聖杯。在這條道路上，大家一直在努力著，但是幾十年過去之後，實驗上一直沒有太多的進展，一直到80年代才開始有了突破。

當我們有了激光之後，人們開始提出一種用激光來冷卻原子的方式。什麼意思呢？不知道各位在火車站接人的時候有沒有感受到過，當火車開過來和離開的時候你聽到的聲音不一樣，這個就是叫多普勒效應，跟你迎面而來的頻率和跟你離開而走的頻率不一樣。

那麼，我調節這個光和調節這個原子，使得光只會對迎面而來的原子起作用，後面來的光就直接穿過去，不會擋它了。這樣的話我如果在每個方向都打光，這個原子往這個方向跑，那麼光就像劃一個如來神掌：你給我滾回去，就把它給冷下來了。實際上你看光本身也不強，但是它最大的加速度能夠達到重力加速度的負一萬倍，能到10 5米/秒平方的加速度，能夠在很快的時間內能把原子從室溫冷到最小的溫度，大概10μK。

但是這個溫度還不夠，剛剛講了10μK，，離玻色·愛因斯坦凝聚還差了幾個數量級，進一步冷卻之後，怎麼弄呢？一個非常妙的主意是叫蒸發冷卻。

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蒸發冷卻就像我們喝咖啡、喝水的時候，我們就吹一吹讓水蒸氣跑掉，它慢慢就冷下來了。我們在原子裡面怎麼弄？大概10μK原子它始終會有個速度分布，有些熱的，有些是冷的，熱的始終在邊緣處，比較容易逃逸，冷的在下面，我想個辦法這個碗慢慢放小了，放小使得熱原子容易逃逸的那部分就跑了，跑了之後剩下的原子溫度會重新分布，分布下來，它就慢慢的冷下來了。

有了玻色·愛因斯坦凝聚之後，就可以對這個原子進行單獨的操控，因為原子比電子大了1000倍，所以可以把它放到跟電子一樣的環境下，看它到底是怎麼運動的。

現在講起來最能直接應用的應用就是說目前現在這個高溫超導，我們希望通過用冷原子來理解高溫超導機制，反過來再建議怎麼調整能夠實現比如說室溫下超導。如果真的能夠實現室溫下超導的話，那麼像上海的磁懸浮也不用虧本運營了。上海到北京或許只要半個小時就可以到了。