量子計(jì)算機(jī)，開(kāi)啟中國(guó)速度

吳月輝

日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽(yáng)教授、朱曉波教授等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，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。5月3日，該研究團(tuán)隊(duì)正式發(fā)布了這一系列研究成果。

潘建偉在現(xiàn)場(chǎng)宣布，在光學(xué)體系，研究團(tuán)隊(duì)在去年首次實(shí)現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)。

在超導(dǎo)體系，研究團(tuán)隊(duì)打破了之前由谷歌、NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）和UCSB（加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校）公開(kāi)報(bào)道的9個(gè)超導(dǎo)量子比特的操縱，實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目（10個(gè)）超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)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(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然光子學(xué)》，即將發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)要算15萬(wàn)年的難題，量子計(jì)算機(jī)只需1秒

1981年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)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(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)很可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。1994年，麻省理工學(xué)院的Peter？Shor教授提出分解大質(zhì)因數(shù)的高效量子算法，量子計(jì)算引發(fā)了世界各國(guó)的強(qiáng)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(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(zhǎng)。這一特點(diǎn)使得量子計(jì)算可為經(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。”潘建偉說(shuō)，“比如，300位10進(jìn)制那么長(zhǎng)數(shù)，用我們目前萬(wàn)億次的傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)拿來(lái)算的話，大概需要算15萬(wàn)年。但如果能夠造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，它計(jì)算的頻率也是萬(wàn)億次的話，只需要1秒鐘就可以算完。從這個(gè)角度上講，量子的并行計(jì)算能力是非常強(qiáng)大的。”

此外，一臺(tái)操縱50個(gè)微觀粒子的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)特定問(wèn)題的處理能力可超過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

那哪些算特定問(wèn)題呢？

朱曉波說(shuō)：“比如說(shuō)大數(shù)字分解，這個(gè)是用于現(xiàn)在加密的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的算法。那么你如果能解一個(gè)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(guó)家金融安全、軍事安全等都會(huì)受到嚴(yán)重影響。還有，量子計(jì)算機(jī)做到一定規(guī)模之后，很有可能實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的快速搜索，以后在解決搜索問(wèn)題的時(shí)候就具有巨大的優(yōu)勢(shì)。”

據(jù)專家介紹，根據(jù)各物理體系內(nèi)在優(yōu)勢(shì)及其在實(shí)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(guó)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。

研究仍處早期，我國(guó)計(jì)劃在年底實(shí)現(xiàn)大約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)展的綜合性能國(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)。

潘建偉說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該原型機(jī)的‘玻色取樣速度不僅比國(guó)際同行類似的之前所有實(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，也比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）運(yùn)行速度快10～100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)界稱之為“量子稱霸”的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“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，但是是重要的一步。”潘建偉說(shuō)。

“朝著這個(gè)目標(biāo)，我們研究團(tuán)隊(duì)將計(jì)劃在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，將接近目前最好的商用CPU。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。

但由于高精度量子操控技術(shù)的極端復(fù)雜性，目前量子計(jì)算研究仍處于早期發(fā)展階段。“像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣具有通用功能的量子計(jì)算機(jī)最終能否研制成功，對(duì)整個(gè)科學(xué)界還是個(gè)未知數(shù)。”潘建偉說(shuō)。

在信息安全、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、導(dǎo)航等方面，量子技術(shù)未來(lái)將極大地改變生活

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一個(gè)詞來(lái)形容，就叫做“貪得無(wú)厭”。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)人們能夠把數(shù)據(jù)里面有效的數(shù)據(jù)結(jié)果都通過(guò)計(jì)算給提取出來(lái)的話，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：“我認(rèn)為量子技術(shù)領(lǐng)域目前主要有幾個(gè)方面離實(shí)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(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)給我們的生活帶來(lái)極大的改變。比如，我們現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)只能預(yù)報(bào)幾天，因?yàn)槿绻A(yù)報(bào)第六天、第七天，計(jì)算的時(shí)間可能需要100天，而100天后再來(lái)預(yù)測(cè)第六七天的天氣就沒(méi)什么意義了。”

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到15年里，量子技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將是非常激烈的。比如英國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家量子技術(shù)專項(xiàng)、歐盟啟動(dòng)了量子旗艦專項(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)公司也都介入到相關(guān)研發(fā)了。”潘建偉說(shuō)。

延伸閱讀

多個(gè)狀態(tài)同時(shí)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(gè)概念誕生于1900年，物理學(xué)家普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上公布了他的成果，成為量子論誕生和新物理學(xué)革命宣告開(kāi)始的偉大時(shí)刻。

分子、原子、電子，其實(shí)都是量子的不同表現(xiàn)形式。可以說(shuō)，我們的世界是由量子組成的。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說(shuō)，在宏觀世界里，物體的位置、速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，都可以通過(guò)牛頓力學(xué)精確地測(cè)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(gè)物體在某一時(shí)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(shí)處于多種狀態(tài)和多個(gè)位置的“疊加”。

量子力學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者之一、奧地利物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓來(lái)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(shí)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(shuō)，如果你去測(cè)量一個(gè)量子，那么它就會(huì)從多個(gè)狀態(tài)、多個(gè)位置，變成一個(gè)確定的狀態(tài)和一個(gè)確定的位置。如果你打開(kāi)“薛定諤的箱子”，貓的疊加狀態(tài)就會(huì)消失，你會(huì)看到一只活貓或一只死貓。

如果說(shuō)一個(gè)量子已經(jīng)很“奇怪”，那么當(dāng)兩個(gè)量子“糾纏”在一起，那種不確定性更強(qiáng)了。根據(jù)量子力學(xué)理論，如果兩個(gè)量子之間形成了“糾纏態(tài)”，那么無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)量子也會(huì)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(méi)搞清楚量子為何如此神秘，但國(guó)際主流學(xué)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(kāi)發(fā)創(chuàng)新型應(yīng)用，比如量子通信和量子計(jì)算。

量子通信是科學(xué)界利用量子特性最早開(kāi)發(fā)的信息應(yīng)用，其“不可分割”“測(cè)不準(zhǔn)”“不可克隆”等特性，使得理論上“絕對(duì)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(jì)算機(jī)被認(rèn)為將是最具威力的量子信息應(yīng)用。未來(lái)，其超級(jí)計(jì)算能力的實(shí)現(xiàn)，將為金融分析、氣象預(yù)報(bào)等大規(guī)模計(jì)算提供全新的方案。量子計(jì)算機(jī)還可以通過(guò)“模擬”，來(lái)解決科學(xué)研究中的一些未解之謎。

（據(jù)新華社上海5月3日電 記者陳芳、徐海濤、周琳）