量子計(jì)算機(jī)開(kāi)啟中國(guó)速度

在位于上海浦東新區(qū)的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院實(shí)驗(yàn)大樓內(nèi)，一個(gè)不足3平方米的工作臺(tái)上，上百個(gè)元器件看似毫無(wú)規(guī)則地自由生長(zhǎng)著：有的上面光禿無(wú)物，有的則頂著像放大鏡模樣的波片，大小不一，形態(tài)各樣，周邊框梁布滿了光纖。很難想象，這就是剛剛問(wèn)世的中國(guó)光量子計(jì)算機(jī)的主體，一個(gè)甫一面世就成了中國(guó)科技界乃至世界科技界的閃耀明星。

5月3日，這臺(tái)計(jì)算機(jī)的研制方——中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院在這里宣布，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及同事陸朝陽(yáng)、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華研究組，構(gòu)建了這臺(tái)基于單光子的量子計(jì)算機(jī)，這是世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)。

一時(shí)間評(píng)價(jià)紛至沓來(lái)：“中國(guó)科學(xué)家再次站在了創(chuàng)新的前沿”“量子計(jì)算將徹底改變?nèi)祟?lèi)未來(lái)的應(yīng)用前景”……就連這次成果的焦點(diǎn)人物潘建偉也提到，“量子計(jì)算研究就像雨后春筍，到了爆發(fā)式發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻。”那么這臺(tái)中國(guó)造的量子計(jì)算機(jī)究竟能有何能耐，又將為我們帶來(lái)什么？

計(jì)算速度加快2.4萬(wàn)倍

量子計(jì)算機(jī)是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的并行計(jì)算和模擬能力的計(jì)算機(jī)。計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。

曾有人打過(guò)一個(gè)比方：如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度是自行車(chē)，量子計(jì)算機(jī)的速度就如同飛機(jī)。例如，使用億億次的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的方程組，所需時(shí)間為100年，而使用一臺(tái)萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

因?yàn)橛?jì)算能力的革命性突破，如同蒸汽機(jī)之于工業(yè)文明，量子計(jì)算機(jī)將成為未來(lái)科技的引擎。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該原型機(jī)的取樣速度不僅比國(guó)際同行類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)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(tái)電子管計(jì)算機(jī)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10倍到100倍。“這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算這一國(guó)際學(xué)術(shù)界稱(chēng)之為‘量子稱(chēng)霸的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”潘建偉指出。

計(jì)劃年底實(shí)現(xiàn)20個(gè)光量子比特的操縱

多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的核心資源，一直是國(guó)際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在多光子糾纏領(lǐng)域始終保持著國(guó)際領(lǐng)先水平，并于2016年底把紀(jì)錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)此次利用自主發(fā)展的綜合性能?chē)?guó)際最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，通過(guò)電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對(duì)多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)。

“量子計(jì)算領(lǐng)域有幾個(gè)大家共同努力的指標(biāo)性節(jié)點(diǎn)：第一，展示超越首臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力；第二，展示超越商用CPU的計(jì)算能力；第三，展示超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。我們實(shí)現(xiàn)的只是其中的第一步，也是一小步，但同時(shí)是重要的一步。”潘建偉說(shuō)。

曾經(jīng)有科學(xué)家預(yù)測(cè)，除非量子計(jì)算機(jī)操控的比特?cái)?shù)超過(guò)50個(gè)，量子計(jì)算機(jī)才能超過(guò)現(xiàn)有的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。此次，中國(guó)科學(xué)家的成果為10個(gè)超導(dǎo)量子比特，超過(guò)了之前由谷歌、美國(guó)航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校公開(kāi)報(bào)道的9個(gè)超導(dǎo)量子比特的紀(jì)錄。

但也有分析稱(chēng)，盡管歐美等國(guó)公開(kāi)報(bào)道的成果是9個(gè)，但谷歌之前已經(jīng)放話，要在今年底之前把超導(dǎo)量子計(jì)算做到50個(gè)比特。因此，這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)還遠(yuǎn)未結(jié)束。更何況即使獲得了量子計(jì)算霸權(quán)，讓其真正具備解決問(wèn)題的能力也是路途漫漫。

在潘建偉看來(lái)，谷歌、IBM等公司擁有人才優(yōu)勢(shì)。尤其是谷歌，目前仍可以算是量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。但這次研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高精度脈沖控制和全局糾纏操作實(shí)現(xiàn)10比特量子態(tài)的成果，使中國(guó)在超導(dǎo)體系量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域也進(jìn)入世界一流水平行列。

根據(jù)計(jì)劃，潘建偉的研究團(tuán)隊(duì)將在今年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，20個(gè)超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測(cè)試，量子計(jì)算機(jī)的速度將會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)。也許到時(shí)一張閃亮的國(guó)家名片又將出現(xiàn)。

量子技術(shù)未來(lái)將極大改變生活

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，對(duì)計(jì)算能力的需求可以用“貪得無(wú)厭”來(lái)形容。同時(shí)，計(jì)算能力的強(qiáng)弱也對(duì)社會(huì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)人們能把有效的數(shù)據(jù)結(jié)果都通過(guò)計(jì)算給提取出來(lái)，每一個(gè)數(shù)據(jù)才會(huì)成為真正的財(cái)富。

談到量子計(jì)算機(jī)未來(lái)的應(yīng)用前景，潘建偉充滿信心：“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(jì)算可能很快在某些特定計(jì)算方面超越目前傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算。這些技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、藥物設(shè)計(jì)、基因分析、各種導(dǎo)航等方面也將起到巨大的作用，會(huì)給人們的生活帶來(lái)極大改變。”

據(jù)潘建偉介紹，在我國(guó)即將啟動(dòng)的量子通信和量子計(jì)算機(jī)的重大項(xiàng)目里，對(duì)光、超導(dǎo)、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年到15年里，量子技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將非常激烈。比如英國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家量子技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)、歐盟啟動(dòng)了量子旗艦專(zhuān)項(xiàng)、美國(guó)在論證相應(yīng)的計(jì)劃。包括谷歌、IBM、微軟等在內(nèi)的一些美國(guó)公司也已介入相關(guān)研發(fā)。”潘建偉說(shuō)。（本刊綜合）