量子計算機，開啟中國速度

　　日前，中國科學技術(shù)大學潘建偉教授及其同事陸朝陽教授、朱曉波教授等，聯(lián)合浙江大學王浩華教授研究組，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(xiàn)場宣布，在光學體系，研究團隊在去年首次實現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點單光子源構(gòu)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（加州大學圣塔芭芭拉分校）公開報道的9個超導量子比特的操縱，實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目（10個）超導量子比特的糾纏，并在超導量子處理器上實現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。

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

　　傳統(tǒng)電子計算機要算15萬年的難題，量子計算機只需1秒

　　1981年，美國物理學家費曼指出，由于量子系統(tǒng)具有天然的并行處理能力，用它所實現(xiàn)的計算機很可能會遠遠超越經(jīng)典計算機。1994年，麻省理工學院的PeterShor教授提出分解大質(zhì)因數(shù)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(shù)呈指數(shù)增長。這一特點使得量子計算可為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。”潘建偉說，“比如，300位10進制那么長數(shù)，用我們目前萬億次的傳統(tǒng)電子計算機拿來算的話，大概需要算15萬年。但如果能夠造出一臺量子計算機，它計算的頻率也是萬億次的話，只需要1秒鐘就可以算完。從這個角度上講，量子的并行計算能力是非常強大的。”

　　此外，一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可超過超級計算機。

　　那哪些算特定問題呢？

　　朱曉波說：“比如說大數(shù)字分解，這個是用于現(xiàn)在加密的一個標準的算法。那么你如果能解一個大數(shù)字分解，就能解密現(xiàn)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、軍事安全等都會受到嚴重影響。還有，量子計算機做到一定規(guī)模之后，很有可能實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的快速搜索，以后在解決搜索問題的時候就具有巨大的優(yōu)勢。”

　　據(jù)專家介紹，根據(jù)各物理體系內(nèi)在優(yōu)勢及其在實現(xiàn)多粒子相干操縱和糾纏方面的發(fā)展現(xiàn)狀和潛力，目前，國際學術(shù)界在基于光子、超冷原子和超導線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，我國計劃在年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱

　　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。在光子體系，潘建偉團隊在多光子糾纏領(lǐng)域始終保持著國際領(lǐng)先水平，并于2016年底把紀錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，團隊此次利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構(gòu)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：“實驗測試表明，該原型機的‘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2.4萬倍，同時，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類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，為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典超級計算能力的量子計算這一國際學術(shù)界稱之為“量子稱霸”的目標奠定了堅實的基礎(chǔ)。

　　“量子計算領(lǐng)域有幾個大家共同努力的指標性節(jié)點：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。我們實現(xiàn)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。

　　“朝著這個目標，我們研究團隊將計劃在今年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，將接近目前最好的商用CPU。”陸朝陽說。

　　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，對整個科學界還是個未知數(shù)。”潘建偉說。

　　在信息安全、醫(yī)學檢測、導航等方面，量子技術(shù)未來將極大地改變生活

　　隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，對計算能力的需求可以用一個詞來形容，就叫做“貪得無厭”。同時，計算能力的強弱也對社會的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。當人們能夠把數(shù)據(jù)里面有效的數(shù)據(jù)結(jié)果都通過計算給提取出來的話，每一個數(shù)據(jù)才會成為真正的財富。

　　談到量子計算機未來的應(yīng)用前景，潘建偉充滿信心：“我認為量子技術(shù)領(lǐng)域目前主要有幾個方面離實用非常近：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(tǒng)的超級計算。這些技術(shù)在醫(yī)學檢測、藥物設(shè)計、基因分析、各種導航等方面也將起到巨大的作用，會給我們的生活帶來極大的改變。比如，我們現(xiàn)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，計算的時間可能需要100天，而100天后再來預測第六七天的天氣就沒什么意義了。”

　　據(jù)潘建偉介紹，在我國即將啟動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(yīng)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。比如英國啟動了國家量子技術(shù)專項、歐盟啟動了量子旗艦專項、美國在論證相應(yīng)的計劃。包括谷歌、IBM、微軟等在內(nèi)的一些美國公司也都介入到相關(guān)研發(fā)了。”潘建偉說。

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　　多個狀態(tài)同時疊加不可分割不可克隆

　　量子世界里，真的很神秘

　　量子是什么？量子是最小的、不可再分割的能量單位。這個概念誕生于1900年，物理學家普朗克在德國物理學會上公布了他的成果，成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。

　　分子、原子、電子，其實都是量子的不同表現(xiàn)形式?？梢哉f，我們的世界是由量子組成的。

　　中國科學技術(shù)大學教授朱曉波說，在宏觀世界里，物體的位置、速度等運動規(guī)律，都可以通過牛頓力學精確地測算。但在量子微觀世界里，有著與宏觀世界截然不同的規(guī)則。

　　量子的神秘之處首先體現(xiàn)在它的“狀態(tài)”。在宏觀世界里，任何一個物體在某一時刻有著確定的狀態(tài)和確定的位置。但在微觀世界里，量子卻同時處于多種狀態(tài)和多個位置的“疊加”。

　　量子力學的開創(chuàng)者之一、奧地利物理學家薛定諤曾用一只貓來比喻量子態(tài)疊加：箱子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的。但如果在量子世界中，它同時處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。

　　量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”。也就是說，如果你去測量一個量子，那么它就會從多個狀態(tài)、多個位置，變成一個確定的狀態(tài)和一個確定的位置。如果你打開“薛定諤的箱子”，貓的疊加狀態(tài)就會消失，你會看到一只活貓或一只死貓。

　　如果說一個量子已經(jīng)很“奇怪”，那么當兩個量子“糾纏”在一起，那種不確定性更強了。根據(jù)量子力學理論，如果兩個量子之間形成了“糾纏態(tài)”，那么無論相隔多遠，當一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個量子也會超光速“瞬間”發(fā)生如同心靈感應(yīng)的變化。

　　雖然直至今天，人類仍然還沒搞清楚量子為何如此神秘，但國際主流學界已經(jīng)接受了量子這種特殊性的客觀存在。更重要的是，人們可以利用量子的奇異特性開發(fā)創(chuàng)新型應(yīng)用，比如量子通信和量子計算。

　　量子通信是科學界利用量子特性最早開發(fā)的信息應(yīng)用，其“不可分割”“測不準”“不可克隆”等特性，使得理論上“絕對安全”的量子通信成為可能。

　　而基于量子的疊加態(tài)與糾纏特性，量子計算機被認為將是最具威力的量子信息應(yīng)用。未來，其超級計算能力的實現(xiàn)，將為金融分析、氣象預報等大規(guī)模計算提供全新的方案。量子計算機還可以通過“模擬”，來解決科學研究中的一些未解之謎。（據(jù)新華社上海電 記者陳芳、徐海濤、周琳）

　　轉(zhuǎn)自：人民日報

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