中國量子計(jì)算機(jī)：超越經(jīng)典的一小步

丁佳

2017年5月3日，中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院在上海宣布，中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)教授王浩華研究組，在基于光子和超導(dǎo)體系的量子計(jì)算機(jī)研究方面取得了系列突破性進(jìn)展。

當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)的概念十分火熱，無數(shù)好萊塢大片、科幻小說都提到了這項(xiàng)“酷炫到爆炸”的科技，鑒于其強(qiáng)大功能，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)也成為全球頂尖科研機(jī)構(gòu)的“兵家必爭之地”。

在光學(xué)體系，中國構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)；在超導(dǎo)體系，中國園隊(duì)實(shí)現(xiàn)7B前世界上最大數(shù)目（10個）超導(dǎo)量子比特的糾纏，系列成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然一光子學(xué)》和《物理評論快報(bào)》。用潘建偉的話說：“未來量子計(jì)算的能力可能超越人類想象。而現(xiàn)在，中國已經(jīng)迎來了自己的“相變點(diǎn)。”

“秒殺”超級計(jì)算機(jī)

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

比如“大數(shù)分解”問題，如果利用萬億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解一個300位的大數(shù)，需要1 5萬年；而利用萬億次量子計(jì)算機(jī)，則只需一秒鐘。同樣，求解一個億億億變量的方程組，利用目前最快的超級計(jì)算機(jī)需要100年，而利用萬億次量子計(jì)算機(jī)，則只需要0.01秒。

“一臺操縱50個微觀粒子的量子計(jì)算機(jī)，對特定問題的處理能力就可以超過超級計(jì)算機(jī)。因此，量子計(jì)算機(jī)在密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探等需要解決大規(guī)模計(jì)算難題的領(lǐng)域有巨大優(yōu)勢?！迸私▊フf。

由于量子計(jì)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(xié)同攻關(guān)，同時，大型科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強(qiáng)勢介入量子計(jì)算研究。

“傳統(tǒng)項(xiàng)目”超越經(jīng)典

當(dāng)前，國際學(xué)術(shù)界在基于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路體系的量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展上總體較為領(lǐng)先。中國科研團(tuán)隊(duì)在這3個領(lǐng)域均有涉獵。

多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的核心資源，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在多光子糾纏領(lǐng)域始終保持著國際領(lǐng)先水平，并于2016年年底把紀(jì)錄刷新至10光子糾纏，這一領(lǐng)域，可以說是中國的“傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)”。

在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，通過調(diào)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(jì)算原型機(jī)。

陸朝陽說，研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的目的就是解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的問題，例如“玻色取樣”這個題目，經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算起來難度就很大。

實(shí)驗(yàn)測試表明，該量子計(jì)算原型機(jī)的“玻色取樣”速度不僅比國際同行快了至少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(jì)算機(jī)和第一臺晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10～100倍。

中國人造出的這臺量子計(jì)算機(jī)，是人類歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子計(jì)算機(jī)，它為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“這次之所以跟早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)‘較量，是因?yàn)槲覀兊牧孔佑?jì)算機(jī)還是個‘孩子，所以也要跟‘同齡小孩比較?！迸私▊ヌ寡?，“目前這臺量子計(jì)算機(jī)跟筆記本電腦的能力比還有很大差距，但量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展就像雨后春筍，最開始才能長1厘米，后面就會‘躥得很快，現(xiàn)在我們已經(jīng)看到了爆發(fā)式增長的態(tài)勢?！?/p>

朝著這個目標(biāo)，潘建偉團(tuán)隊(duì)將計(jì)劃在2017年年底實(shí)現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，那時的光子量子計(jì)算機(jī)，將有望達(dá)到與筆記本電腦相抗衡的計(jì)算能力。

協(xié)同創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)“彎道超車”

由于可集成性等表現(xiàn)非常好，超導(dǎo)量子被很多人認(rèn)為是最有希望研制性能可拓展的量子計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)技術(shù)，也是國際競爭最為激烈的一個方向。2015年，谷歌、美國國家航空航天局和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。

而中國在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域并沒有先發(fā)優(yōu)勢，人才隊(duì)伍也較為匱乏，這一現(xiàn)狀，讓潘建偉十分焦慮。

潘建偉覺得，要在這個領(lǐng)域“彎道超車”，必須要搞協(xié)同創(chuàng)新，把全國的優(yōu)勢力量集中起來。于是，他所在的中科大聯(lián)合了浙江大學(xué)、中科院物理研究所等單位進(jìn)行合作攻關(guān)，大家都拿出了自己的看家本領(lǐng)，終于打破了美國人保持的紀(jì)錄。

朱曉波、王浩華、陸朝陽和潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過高精度脈沖控制和全局糾纏操作，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)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(tài)。

“與超級計(jì)算機(jī)相比，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的耗能非常少，基本上最普通

的實(shí)驗(yàn)室就能夠滿足需求?！敝鞎圆ㄕf，目前團(tuán)隊(duì)正在致力于20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測試，并計(jì)劃于2017年年底前發(fā)布量子云計(jì)算平臺。他們希望，到2020年左右能夠達(dá)到50個超導(dǎo)量子比特的水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的“量子稱霸”。

正如古代發(fā)明算盤的人不會想到今天的計(jì)算機(jī)一樣，潘建偉承認(rèn)，就連他也難以預(yù)料未來量子計(jì)算機(jī)的巨大能量。但人類對計(jì)算能力的追求永無止境，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)也會繼續(xù)朝著這個令人激動的未來不斷前行。

（責(zé)任編輯：白玉磊 責(zé)任校對：夏越）endprint