預見未來黑科技：光量子計算機

5月27日，在貴州貴陽召開的2017中國國際大數據產業博覽會正式發布“十大黑科技”，其中信息技術與基礎設施類單元中，中國光量子計算機獲得“大數據類最佳黑科技獎”。這是繼5月3日，國際著名物理學家、量子信息實驗研究領域開拓者之一、中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉在上海正式發布研究成果“中國科研團隊成功構建光量子計算機并首次演示了超越早期經典計算機的量子計算能力”之后，中國光量子計算機率先在數博會上“展露真容”。

光量子計算機實現了兩大重要突破：首先，這是由中國科研團隊完成的世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機；其次，這也是世界上糾纏數目最多（10個）的超導量子比特處理器。光量子計算機的誕生，標志著我國在基于光子的量子計算機研究方面取得突破性進展，為最終實現超越經典計算能力的量子計算奠定了堅實基礎。

這臺光量子計算機由潘建偉院士及其中國科學技術大學同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組，在基于光子和超導體系的量子計算機研究方面共同完成的光量子計算機，是地地道道的“中國制造”，為邁入量子計算時代奠定了堅實的技術基礎。未來的新型計算機，或許將由中國光量子計算機重新定義。

在理解量子計算機之前，我們首先需要知道什么是量子糾纏和量子疊加原理。按照經典計算機的設計原理，科學家們在傳統芯片的晶體管中，用0和1的二進制來表示信息。但在量子力學的世界里，依據量子的物理性質，它能夠呈現疊加狀態，能同時表示0和1。處于疊加態的量子比特能以一種叫做量子糾纏的現象相互聯系，簡單來說，就是一個量子比特的行為能瞬間影響到另一個量子比特。

依據量子比特的特殊性，著名物理學家理查德·費曼最早提出了量子計算機。按照他當時的設想，如果用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，運算時間可大幅度減少。所謂量子計算機是指利用量子相干疊加原理，在理論上具有超快的并行計算和模擬能力的計算機。隨著可操縱的微觀粒子數增加，量子計算機的計算能力將呈指數級增長。一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可超過目前全球最快的超級計算機。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。

費曼對量子計算機概念的闡述還有個經典的應用場景描述：你被要求5分鐘內在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個大寫字母“X”，這幾乎是不可能的，因為那里有5000萬冊書。但是如果你處于5000萬個平行現實中，每個現實都可以查看不同的書籍，那么你肯定能在其中某個現實中找到這個“X”。在這個假設中，普通計算機就像是前一種情形中瘋子般的那個你，需要在5分鐘內找遍盡可能多的書。而量子計算機卻能復制出5000萬個你，每個只需翻找一本書即可。

目前國際上學術界對于量子計算技術的研究有很多方案，其中包括基于光子、超冷原子和超導線路等3個受到廣泛關注的體系。由于量子計算的巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展協同攻關，同時，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強勢介入量子計算研究。在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現了五光子、六光子、八光子糾纏，一直保持著國際領先水平，并于2016年年底把紀錄刷新至十光子糾纏。在此基礎上，潘建偉、陸朝陽等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。

潘建偉團隊的此次實驗，使得中國的超導體系量子計算機研究，進入世界一流水平行列。根據量子計算測試結果，基于單光子的量子計算原型機取樣速度比國際同行類似的之前所有實驗加快至少24000倍；通過和經典算法比較，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）運行速度快10？100倍。

在超導體系已經公開的結果中，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學圣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年被打破，包括潘建偉、朱曉波、王浩華和陸朝陽在內的中國科學家團隊自主研發了10比特超導量子線路樣品，成功實現目前世界上最大數目即10個超導量子比特的糾纏和完整的測量。研究團隊還進一步利用超導量子線路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。

2016年，潘建偉團隊首次成功實現“十光子糾纏”。多粒子糾纏操縱作為量子信息處理基本能力的核心指標，近年來一直是國際學界角逐的焦點。操縱的糾纏光子數目越多，量子信息處理能力就會呈指數增長，但同時實驗實現的難度也急劇增加。

經過努力，潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組，把比特數目擴展到10個，并制備了10比特的糾纏GHZ態，保真度大于66%，據介紹，在目前公開的結果中，這是超導量子比特系統中糾纏的數目最多的。

從最初的3比特，到5比特，到6比特，再到如今的10比特，此次測試的成功標志著中國在超導量子比特集成系統的設計制備、控制與測量等各方面都打下了堅實的基礎。潘建偉院士說：“要造出有一定應用價值的量子計算機，還需要10到20年的努力。”根據計劃，潘建偉院士的研究團隊要在今年底實現大約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；到2020年做到45至50個光量子比特的操縱，最終實現量子計算超越經典超級計算機的“量子稱霸”目標。

2015年7月30日，亞洲首個量子計算實驗室——“中國科學院—阿里巴巴量子計算實驗室”正式在上海成立。實驗室將結合阿里云在經典計算算法、架構和云計算方面的技術優勢，以及中科院在量子計算和模擬、量子人工智能等方面的優勢，顛覆摩爾定律，開展在量子信息科學領域的前瞻性研究，探索超越經典計算機的下一代超快計算技術。在今年3月的深圳云棲大會上，阿里云公布了全球首個云上量子加密通訊案例，通過建立多個量子安全傳輸域，為客戶提供無條件安全數據傳輸服務。馬云在宣布啟動阿里巴巴的“NASA計劃”時曾表示，量子計算就是阿里巴巴解決20年后計算資源稀缺的秘密武器。預計到2025年，量子計算將達到當今世界最快的超級計算機的水平，將應用于一些目前無法解決的重大科技難題。

（參考來源：中國科學院、中國科學技術大學、《自然·光子學》）

附錄：量子應用大事記

1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出“量子計算機”的概念。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾證明量子計算機能夠完成對數運算，且速度遠勝傳統計算機。

1997年，科學家首次用一對糾纏光子實現了量子信息傳輸。

2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，基本符合了量子力學的全部本質特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機。

2007年，維也納大學的安東·齊林格和他的同事們用一對糾纏光子在加那利群島的兩個島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過了143千米。

2010年1月，美國哈佛大學和澳洲昆士蘭大學的科學家利用量子計算機準確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國于利希研究中心發表公報：該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機。

2010年，中國科大—清華大學聯合小組成功實現了當時世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，傳輸距離達16公里。

2012年3月，IBM做到了在減少基本運算誤差的同時，保持量子比特的量子機械特性完整性。

2015年7月，中國科學院與阿里巴巴集團旗下阿里云共同成立“中國科學院—阿里巴巴量子計算實驗室”，開展在量子信息科學領域的前瞻性研究。

2016年8月，我國自主研制的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”成功升空。

2017年5月3日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉在上海宣布中國科研團隊成功構建光量子計算機，并首次演示了超越早期經典計算機的量子計算能力。