量子計算機開啟中國速度

量子計算機開啟中國速度

▲世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機（局部）（王瑩攝）

在位于上海浦東新區的中國科學技術大學上海研究院實驗大樓內，一個不足3平方米的工作臺上，上百個元器件看似毫無規則地自由生長著：有的上面光禿無物，有的則頂著像放大鏡模樣的波片，大小不一，形態各樣，周邊框梁布滿了光纖。很難想象，這就是剛剛問世的中國光量子計算機的主體，一個甫一面世就成了中國科技界乃至世界科技界的閃耀明星。

5月3日，這臺計算機的研制方——中國科學院量子信息與量子科技創新研究院在這里宣布，中國科學技術大學潘建偉院士及同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華研究組，構建了這臺基于單光子的量子計算機，這是世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機。

一時間評價紛至沓來：“中國科學家再次站在了創新的前沿”“量子計算將徹底改變人類未來的應用前景”……就連這次成果的焦點人物潘建偉也提到，“量子計算研究就像雨后春筍，到了爆發式發展的關鍵時刻。”那么這臺中國造的量子計算機究竟能有何能耐，又將為我們帶來什么？

計算速度加快2.4萬倍

量子計算機是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的并行計算和模擬能力的計算機。計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長，可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。

曾有人打過一個比方：如果現在傳統計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就如同飛機。例如，使用億億次的天河二號超級計算機求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年，而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

因為計算能力的革命性突破，如同蒸汽機之于工業文明，量子計算機將成為未來科技的引擎。實驗測試表明，該原型機的取樣速度不僅比國際同行類似的實驗加快至少2.4萬倍，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和第一臺晶體管計算機運行速度快10倍到100倍。“這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基于單光子的量子模擬機，為最終實現超越經典超級計算能力的量子計算這一國際學術界稱之為‘量子稱霸’的目標奠定了堅實的基礎。”潘建偉指出。

計劃年底實現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域始終保持著國際領先水平，并于2016年底把紀錄刷新至十光子糾纏。在此基礎上，團隊此次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，構建了針對多光子“玻色取樣”任務的光量子計算原型機。

“量子計算領域有幾個大家共同努力的指標性節點：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。我們實現的只是其中的第一步，也是一小步，但同時是重要的一步。”潘建偉說。

曾經有科學家預測，除非量子計算機操控的比特數超過50個，量子計算機才能超過現有的經典計算機。此次，中國科學家的成果為10個超導量子比特,超過了之前由谷歌、美國航天航空局和加州大學圣芭芭拉分校公開報道的9個超導量子比特的紀錄。

但也有分析稱，盡管歐美等國公開報道的成果是9個，但谷歌之前已經放話，要在今年底之前把超導量子計算做到50個比特。因此，這一領域的競爭還遠未結束。更何況即使獲得了量子計算霸權，讓其真正具備解決問題的能力也是路途漫漫。

在潘建偉看來，谷歌、IBM等公司擁有人才優勢。尤其是谷歌，目前仍可以算是量子計算機領域的領頭羊。但這次研究團隊通過高精度脈沖控制和全局糾纏操作實現10比特量子態的成果，使中國在超導體系量子計算機研究領域也進入世界一流水平行列。

根據計劃，潘建偉的研究團隊將在今年底實現大約20個光量子比特的操縱，20個超導量子比特樣品的設計、制備和測試，量子計算機的速度將會成指數增長。也許到時一張閃亮的國家名片又將出現。

▲基于單光子的量子計算原型機結構（圖/新華網）

量子技術未來將極大改變生活

隨著大數據時代的到來，對計算能力的需求可以用“貪得無厭”來形容。同時，計算能力的強弱也對社會的發展起著至關重要的作用。當人們能把有效的數據結果都通過計算給提取出來，每一個數據才會成為真正的財富。

談到量子計算機未來的應用前景，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，量子計算可能很快在某些特定計算方面超越目前傳統的超級計算。這些技術在醫學檢測、藥物設計、基因分析、各種導航等方面也將起到巨大的作用，會給人們的生活帶來極大改變。”

據潘建偉介紹，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做了相應的布局。

“在以后的10年到15年里，量子技術領域的競爭將非常激烈。比如英國啟動了國家量子技術專項、歐盟啟動了量子旗艦專項、美國在論證相應的計劃。包括谷歌、IBM、微軟等在內的一些美國公司也已介入相關研發。”潘建偉說。（本刊綜合）

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