厲害了，量子計算機

佘惠敏

世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機已在中國誕生——中科院量子信息和量子科技創新研究院于2017年5月3日在上海發布的這個消息驚動了世界。

這是一臺什么樣的計算機？傳說中可秒殺現有計算機的量子計算機何時能走入現實？

中國量子：奠定“量子稱霸”基礎

什么是量子計算機？當某個物理裝置運算、存儲和處理的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。

量子計算機是國際研究熱點，世界各國的科學家們為之設計了多種技術實現路徑。現在進展最快的有3類量子計算機：光量子計算機、超冷原子量子計算機、超導量子計算機。而我國科學家2017年5月3日發布的量子計算機成果有兩個，分別屬于光量子計算機和超導量子計算機范疇。

光量子計算機

在光量子計算機領域，中國科學技術大學潘建偉院士、陸朝陽教授領導的團隊，研制出一種操控5個粒子（即5個光量子比特）的光量子計算原型機。在完成“玻色取樣”任務時，它的速度不僅比國際同行之前所有類似實驗的最高紀錄加快至少24 000倍，同時，通過和經典算法比較，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的運行速度快10～100倍。

“玻色取樣”是計算復雜度隨著粒子數的增加而指數增長的一類數學問題，特別適合用量子計算機來計算。

“與我們這臺超越早期經典計算機的量子計算原型機比起來，之前報道過的同類量子計算機只是沒法實用的游戲機。”潘建偉說。

5月2日，該研究成果以長文的形式在線發表于《自然·光子學》。審稿人評價稱，中國科學家“建造出了第一代量子計算機，是量子計算機中的●ENIAC”。

國際學術界將量子計算機計算能力超過現有經典超級計算機的目標，稱為“量子稱霸”。中國的這臺光量子計算機，是人類歷史上第一臺超越早期經典計算機的光量子模擬機，為人類最終實現“量子稱霸”目標奠定了堅實基礎。

“玻色取樣”任務中，目前最快的超級計算機能處理約45個粒子。“我們計劃在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱，對玻色取樣問題的計算能力就能超越現有最好的商用CPU電子計算機。”潘建偉說。

超導量子計算

在超導體系，2015年，谷歌、美國國家航空航天局（NASA）和加州大學圣塔芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的高精度操縱。這個紀錄在2017年被中國科學家團隊首次打破。中國科學技術大學教授朱曉波、浙江大學教授王浩華的研究團隊和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發了10比特超導量子線路樣品，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，并通過層析測量方法完整地刻畫了10比特量子態。

“簡單地說，我們做出了10量子的超導量子計算機CPU芯片，并用它演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性。”朱曉波說。目前研究團隊正在致力于20個超導量子比特樣品的設計、制備和測試，并計劃于今年年底前發布量子云計算平臺。

量子計算：計算機中的“戰斗機”

如果把現在傳統的電子計算機比作自行車，那么，初試啼聲的量子計算機就好比飛機，它未來的計算能力將秒殺傳統計算機。

現有的電子計算機，1個物理比特只能存儲1個邏輯態——或者0，或者1。而量子計算機利用的是量子的相干疊加原理，可以制備在兩個邏輯態0和1的相干疊加態，換句話講，1個量子比特（量子信息的計量單位）可以同時存儲0和1。

這意味著量子計算機的處理能力將隨著比特數的增加而呈指數級上升。量子計算機有N個比特，就可以一次對2的N次方個數進行數學運算，相當于經典計算機算上2的N次方次。

量子計算計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長，這可以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。

“分解300位大數，利用萬億次經典計算機需要15萬年，利用萬億次量子計算機只需要1秒。”潘建偉預測，2020年左右超導量子計算機就可以操縱50個量子比特，屆時就可以實現“量子稱霸”，在處理一些特定問題的能力上超越經典計算機中計算能力最強的超級計算機。他還預計，10年內量子計算機將可能實現對100個粒子的相干操縱，屆時它處理特定問題的能力就可以達到現有最強超級計算機的百億億倍，或者目前全世界計算能力總和的百萬倍。

我國將要啟動的人工智能2.0計劃中，就有量子人工智能的專門部分，其技術基礎就是量子計算機。而在這之前，“我們首先要通過三五年努力，實現量子稱霸，讓量子計算機在某些特定問題上超越經典超級計算機。”

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指數級增加有多么厲害呢？我們來看個故事吧：傳說中有一名宰相發明了國際象棋獻給國王，國王問他需要什么獎勵時，他說只需要賞賜一些麥子即可：在棋盤上第1個格子里放1顆，第2格放2顆，第3格4顆，此后每一格放的麥子數都是前一格的2倍。國王以為這個賞賜很容易，卻發現整個國庫的糧食全放進去都不夠。原來，國際象棋有64格，那么需要的麥粒總顆數就是2的64次方減1，這大約是140萬億升小麥，需要全世界生產2 000年！

展望未來：遇到難題交給“量子”

量子計算機這么牛，電子計算機還能跟它好好做朋友嗎？這是當然，在科學家們眼里，它們是可以“哥倆好”的。

光量子計算機包含3個主要部分。

第一部分是單光子源，在-269 ℃的低溫中，這個設備通過激光激發量子點，每次產生一個高品質的單光子，是國際上最高品質和最高效率的單光子源。“目前我們搭建的這個設備是國際上綜合性能最優的，產生的單光子品質比國際第二名要高10～100倍。”陸朝陽說。

第二部分是超低損耗光量子線路。單光子通過開關分成5路，通過光纖導入主體設備光學量子網絡。研究員操控5個單光子，分別進入光量子網絡的16×16矩陣，在矩陣中對光量子進行操作。

第三部分是單光子探測器，探測矩陣中得到的量子計算結果。

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，并于2016年底把紀錄刷新至10光子糾纏。光量子計算機就是在這個基礎上，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，通過電控可編程的光量子線路構建而成。

顧名思義，量子計算機需要對量子進行高精度的調控，需要極低的溫度。三大目前發展最快的量子計算機體系中，光量子計算機可以在室溫下運行，但要在-269 ℃的低溫中產生單光子；超導量子計算機的CPU芯片可以在常溫下展示，但它的真正運行必須在接近絕對零度（-273.15 ℃）的環境中進行；超冷原子量子計算機更不負其名，所需的低溫是三者中最低的，最接近絕對零度。

“量子計算機可以實用化，未來全世界會有很多臺，但不需要家家都有。”潘建偉說，量子計算機可以和現有的經典計算機配合使用。以現有的手機終端為例，手機就是小型計算機，它要做成低溫的量子計算機會很難，也沒有必要。“但你可以通過云計算平臺，用手機把需要完成的計算任務送到云端，讓后臺的量子計算機來完成。”

潘建偉表示，傳統計算機能算好的問題，量子計算機不需要再去介入。量子計算機瞄準的，是傳統計算機不能解決的難題。“比如玻色取樣對經典計算機太難了，量子計算機在這方面就顯得特別強大。”

當量子計算機實用化以后，它能解決哪些實際應用領域的難題呢？

密碼分析、氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探、人工智能、大數據……總之，那些需要超大計算量的難題，交給量子計算機就對了！