五分鐘了解量子計算機

本文整理自：中國科學報、 IT夜譚相關報導

中國量子計算機：超越經典 朝夢前行

國際上最高品質和最高效率的單光子源

圖片來源：中科院網站

基於單光子的量子計算原型機結構

圖片來源：中科院網站

十超導量子比特的糾纏態

圖片來源：中科院網站

基於超導量子處理器的線性方程解法演示

圖片來源：中科院網站

世界首台超越早期經典計算機的單光子量子計算機。丁佳攝

中國科學技術大學教授朱曉波正在展示超導量子比特處理器的晶元。丁佳攝

當前，量子計算機的概念十分火熱。無數好萊塢大片、科幻小說中，都提到了這項「酷炫到爆炸」的科技。

鑒於其強大功能，量子計算機的研發也成為全球頂尖科研機構的「兵家必爭之地」。5月3日，中國科學院量子信息和量子科技創新研究院在上海宣布，中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學教授王浩華研究組，在基於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展。

在光學體系，中國構建了世界首台超越早期經典計算機的單光子量子計算機；在超導體系，中國團隊實現了目前世界上最大數目（十個）超導量子比特的糾纏，系列成果發表於國際權威學術期刊《自然光子學》和《物理評論快報》上。

用潘建偉的話說：「未來量子計算的能力可能超越人類想像。而現在，中國已經迎來了自己的『相變點』。」

「秒殺」超級計算機

量子計算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的並行計算和模擬能力，計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長，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。

比如，有一個特別大的數字，人們想知道它是由哪兩個數字相乘得到的。這類「大數分解」問題，如果利用萬億次經典計算機分解一個300位的大數，需要150000年；而利用萬億次量子計算機，則只需一秒鐘。

同樣，求解一個億億億變數的方程組，利用目前最快的超級計算機需要100年，而利用萬億次量子計算機，則只需要0.01秒。

「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就可以超過超級計算機。因此，量子計算機在密碼分析、氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探等需要解決大規模計算難題的領域有巨大優勢。」潘建偉說。

由於量子計算的巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展協同攻關，同時，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強勢介入量子計算研究。

「傳統項目」超越經典

當前，國際學術界在基於光子、超冷原子和超導線路體系的量子計算技術發展上總體較為領先。中國科研團隊在這三個領域均有涉獵。

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。在光子體系，潘建偉團隊在多光子糾纏領域始終保持著國際領先水平，並於2016年底把紀錄刷新至十光子糾纏，這一領域，可以說是中國的「傳統強項」。

在此基礎上，團隊利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源，通過調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。

中科大教授陸朝陽說，研發量子計算機的目的就是解決傳統計算機難以解決的問題，「玻色取樣」這個題目，經典計算機計算起來難度就很大。

實驗測試表明，該量子計算原型機的「玻色取樣」速度不僅比國際同行類似的之前所有實驗加快至少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和第一台晶體管計算機運行速度快10~100倍。

中國人造出的這台量子計算機，是人類歷史上第一台超越早期經典計算機的基於單光子的量子計算機，它為最終實現超越經典計算能力的量子計算這一國際學術界稱之為「量子稱霸」的目標奠定了堅實的基礎。

「這次之所以跟早期經典計算機『較量』，是因為我們的量子計算機還是個『孩子』，所以也要跟『同齡小孩』比較。」潘建偉坦言，「目前這台量子計算機跟筆記本電腦的能力還有很大差距，但量子計算機的發展就像雨後春筍，最開始幾年才能長一厘米，後面就會『竄』得很快，現在我們已經看到了爆髮式增長的態勢。」

潘建偉透露，朝著這個目標，他們團隊將計劃在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱，那時的光子量子計算機，將有望達到與筆記本電腦相抗衡的計算能力。

「這麼重要的方向，我們決不能漏掉」

由於其可集成性、消相干性等表現非常好，超導量子被很多人認為是最有希望研製性能可拓展的量子計算機的一項技術，也是國際競爭最為激烈的一個方向。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。

而中國在超導量子計算領域並沒有先發優勢，人才隊伍也較為匱乏，這一現狀，讓潘建偉十分焦慮。

「如果我們還是像以前一樣各干各的，很難做出好的成果。谷歌那麼大一個團隊，很容易就把我們的年輕苗子給『捏死』了。這麼重要的方向，我們決不能漏掉。」

潘建偉感到，要在這個領域彎道超車，必須要搞協同創新，把全國的優勢力量集中起來。於是，他所在的中科大聯合了浙江大學、中科院物理研究所等單位進行合作攻關，大家都拿出了自己的看家本領，終於打破了美國人保持的記錄。

中國科大教授朱曉波、浙江大學教授王浩華和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發了10比特超導量子線路樣品，通過高精度脈衝控制和全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的多體純糾纏，並通過層析測量方法完整地刻畫了十比特量子態。

隨後，研究團隊用這個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，這一成果已經被《物理評論快報》雜誌接收。

「與超級計算機相比，超導量子計算機的耗能非常少，基本上最普通的實驗室就能夠滿足需求。」朱曉波說，目前團隊正在致力於20個超導量子比特樣品的設計、製備和測試，並計劃於今年年底前發布量子云計算平台。他們希望，到2020年左右能夠達到50個超導量子比特的水平，進而實現真正的「量子稱霸」。

正如古代發明算盤的人不會想到今天的計算機一樣，潘建偉承認，就連他也難以預料未來量子計算機的巨大能量。但「人類對計算能力的追求永無止境」，潘建偉和他的團隊，也會繼續朝著這個令人激動的未來，不斷前行。

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