2017年5月3日：世界首臺單光子量子計算機誕生的那一刻

2017年5月3日，中國科學技術大學教授、中國科學院院士潘建偉在上海宣布，世界首臺光量子計算機在我國誕生。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計算能力的量子計算這一被國際學術界稱為“量子稱霸”的目標奠定了堅實的基礎。

為何要研制量子計算機

從20世紀70年代開始，計算機性能的提升完全符合摩爾定律預測，即每18個月集成電路上可容納的元器件數目約增加一倍，計算機的性能也相應提升近一倍。但2005年后這種趨勢就開始放緩，極其微小的集成電路面臨散熱等問題考驗。如果按這個趨勢繼續發展，當集成電路的尺寸接近原子級別的時候，電子的運動也不再遵守經典物理學規律，這個時候量子力學將起到主導作用。量子計算利用量子相干疊加原理，具有超快的并行計算和模擬能力，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。并行計算讓量子計算機1秒鐘就可完成超級計算機幾年的計算任務，幾天內就能解決傳統計算機需花費數百萬年時間才能處理的問題。

由于量子計算機巨大的潛在價值，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。目前，國際學術界認為基于光子、超冷原子和超導線路體系的量子計算技術最有可能取得突破，我國在這三個方面均有世界領先的表現。

我國量子計算機研究領先世界

在光子體系，中國科學技術大學潘建偉團隊在國際上率先實現了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持著國際領先水平。2018年又刷新了世界光子糾纏新紀錄，提升到18個光量子糾纏，并自主研發了世界上最高品質和最高效率的量子點單光子源。潘建偉研究團隊利用該量子點單光子源，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。實驗測試表明，該原型機的取樣速度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（ENIAC）和第一臺晶體管計算機（TRADIC）的運行速度快10～100倍。

在超導體系，2015年，谷歌、美國國家航空航天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年被中國科學家團隊打破。潘建偉、朱曉波、王浩華等自主研發了10比特超導量子線路樣品，通過發展全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。同時，研究團隊用這一處理器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。由于藥物篩選、星體運動規律、氣象預報等很多問題其實都可以歸結為線性方程問題，因此這也就說明，基于超導線路體系的量子計算機有很強的應用前景。

這意味著我國科學家在基于光子體系和超導體系的量子計算機研究方面都取得重大突破：在光量子計算機研究中，建造了世界上超越早期經典計算機的光量子計算原型機；在超導量子計算機研究中，實現了世界上糾纏數目最多的超導量子比特處理器。

量子計算機的未來發展優勢

量子計算機不會取代經典計算機，但將會在執行對現有計算機來說太過復雜的任務方面表現出眾，特別是那些需要在大數據里面展開搜索和對大數進行質因數分解的任務。這就使得它能夠在一些特定的應用場景有很好的優勢，如加密通信、藥物設計、交通治理、天氣預測、人工智能、太空探索等領域。

在天氣預測方面，量子計算機可以幫助人類建立更好的氣候模型，從而讓我們更深入地了解人類是如何影響環境的。這些模型是我們用來對未來氣候變暖進行評估的工具，可以幫助人類確定需要采取什么措施來防止災難的發生。

在加密通信領域，一切現有的密碼學都將被重新改寫，因為用量子計算機能輕易破譯所有密碼。如經典的RSA算法，若用400位數的整數來做一個RSA密鑰，依托現有的經典計算機需要60萬年才能完成破譯，但是對于量子計算機只要3個小時就能夠破譯。

在藥物設計領域，開發一種新藥需要開展無數不同分子組合方式的實驗，才能夠找到有效治愈某種疾病的藥物特性，這個過程需要持續數年。量子計算機能在短期內繪制數以萬計的分子組合模式，并迅速確定最有可能生效的組合，極大地節省藥物的研發成本和周期。

在材料科學方面，我們常用的塑料就是一種人工合成的復合材料，如果我們通過量子計算機來模擬計算分子結構，可以合成耐高溫、耐極寒，或者更輕薄、更堅硬的新型復合材料。

在交通治理方面，通過量子計算機，我們可以把整個城市甚至整個地球上所有人的出行計劃全部輸入進去，它就能瞬間設計出最佳出行路線，從而讓人們徹底告別交通擁堵。

（本刊記者）

【責任編輯】蒲 暉