量子計算“稱霸”在望

世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機已在中國誕生，中科院量子資訊和量子科技創新研究院5月3日在上海釋出的這個消息驚動了世界。

　　這是一台什麼樣的計算機？傳說中可“秒殺”現有計算機的量子計算機何時能走入現實？請看《經濟日報》記者從上海發回的報道。

　　中國量子：奠定“量子稱霸”基礎

　　什麼是量子計算機？當某個實體裝置運算、存儲和處理的是量子資訊，運作的是量子算法時，它就是量子計算機。

　　量子計算機是國際研究熱點，世界各國的科學家們為之設計了多種技術實作路徑，其中，國際學術界在基于光子、超冷原子和超導線路這3種體系的量子計算技術發展上總體較為領先。也就是說，現在進展最快的有3類量子計算機：光量子計算機、超冷原子量子計算機、超導量子計算機。

　　我國科學家5月3日釋出的量子計算機成果，其實是兩個，分别屬于光量子計算機和超導量子計算機範疇。

　　在光量子計算機領域，中國科學技術大學潘建偉院士、陸朝陽教授上司的團隊，研制出一種操控5個粒子（即5個光量子比特）的光量子計算原型機，在完成“玻色取樣”任務時，它的速度不僅比國際同行之前所有類似實驗的最高紀錄加快至少24000倍，同時，通過和經典算法比較，也比人類曆史上第一台電子管計算機ENIAC和第一台半導體計算機TRADIC的運作速度快10倍—100倍。

　　“玻色取樣”是計算複雜度随着粒子數的增加而指數增長的一類數學問題，特别适合用量子計算機來計算。

　　“與我們這台超越早期經典計算機的量子計算原型機比起來，之前報道過的同類量子計算機隻是沒法實用的遊戲機。”潘建偉說。

　　5月2日，該研究成果以長文的形式線上發表于《自然·光子學》。審稿人評價稱，中國科學家“建造出了第一代量子計算機，是量子計算機中的ENIAC”（ENIAC是人類曆史上第一台電子管計算機）。

　　國際學術界将量子計算機計算能力超過現有經典超級計算機的目标，稱為“量子稱霸”。中國的這台光量子計算機，是人類曆史上第一台超越早期經典計算機的光量子模拟機，為人類最終實作“量子稱霸”目标奠定了堅實基礎。

　　“玻色取樣”任務中，目前最快的超級計算機能處理約45個粒子。“我們計劃在今年年底實作大約20個光量子比特的操縱，對玻色取樣問題的計算能力就能超越現有最好的商用CPU電子計算機。”潘建偉說。

　　在超導量子計算機領域，我國科學家也取得了重大突破。

　　在超導體系，2015年，谷歌、美國航空航天局和加州大學聖芭芭拉分校宣布實作了9個超導量子比特的高精度操縱。這個記錄在2017年被中國科學家團隊首次打破。中國科學技術大學教授朱曉波、浙江大學教授王浩華的研究團隊和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發了10比特超導量子線路樣品，成功實作了目前世界上最大數目的超導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比特量子态。

　　“簡單地說，我們做出了10個量子的超導量子計算機CPU晶片，并用它示範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。”朱曉波告訴記者，相關量子算法的成果已經過審，即将發表于《實體評論快報》。目前研究團隊正在緻力于20個超導量子比特樣品的設計、制備和測試，并計劃于今年年底前釋出量子雲計算平台。

　　量子計算：計算機中的“戰鬥機”

　　如果把現在傳統的電子計算機比作自行車，那麼，量子計算機就好比飛機。量子計算機為何可以成為計算機界的“戰鬥機”？這與它的計算原理密切相關。

　　現有的電子計算機，1個實體比特隻能存儲1個邏輯态——或者0，或者1。而量子計算機利用的是量子的相幹疊加原理，可以制備在兩個邏輯态0和1的相幹疊加态，換句話講，1個量子比特可以同時存儲0和1。

　　這意味着什麼呢？意味着量子計算機的處理能力将随着比特數的增加而呈指數級上升。量子計算機有N個比特，就可以一次對2的N次方個數進行數學運算，相當于經典計算機算上2的N次方次。

　　量子計算計算能力随可操縱的粒子數呈指數增長，這可以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。

　　“分解300位大數，利用萬億次經典計算機需要15萬年，利用萬億次量子計算機隻需要1秒。”潘建偉預測，2020年左右超導量子計算機就可以操縱50個量子比特，屆時就可以實作“量子稱霸”，在處理一些特定問題的能力上超越經典計算機中計算能力最強的超級計算機。10年内量子計算機将可能實作對100個粒子的相幹操縱，屆時它處理特定問題的能力就可以達到現有最強超級計算機的百億億倍，或者目前全世界計算能力總和的百萬倍。

　　正是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。

　　中國科學家也加入了這場角逐，并取得了相當亮眼的成果，并對下一步發展進行了部署。

　　潘建偉介紹，我國将要啟動的人工智能2.0計劃中，就有量子人工智能的專門部分，其技術基礎就是量子計算機。而在這之前，“我們首先要通過三五年努力，實作量子稱霸，讓量子計算機在某些特定問題上超越經典超級計算機”。

　　展望未來：遇到難題交給“量子”

　　在實驗室裡，陸朝陽帶記者參觀了光量子計算機。

　　光量子計算機包含3個主要部分。第一部分是單光子源，在零下269攝氏度的低溫中，這個裝置通過雷射激發量子點，每次産生一個高品質的單光子，是國際上最高品質和最高效率的單光子源。“目前我們搭建的這個裝置是國際上綜合性能最優的，産生的單光子品質比國際第二名要高10到100倍。”陸朝陽自豪地說。

　　第二部分是超低損耗光量子線路。單光子通過開關分成5路，通過光纖導入主體裝置光學量子網絡。

　　第三部分是單光子探測器，探測矩陣中得到的量子計算結果。

　　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着國際領先水準，并于2016年底把紀錄重新整理至10光子糾纏。光量子計算機就是在這個基礎上，團隊利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源，通過電控可程式設計的光量子線路建構而成。

　　顧名思義，量子計算機需要對量子進行高精度調控，這需要極低的溫度。目前發展最快的三大量子計算機體系中，光量子計算機可以在室溫下運作，但要在零下269攝氏度的低溫中産生單光子；超導量子計算機的CPU晶片可以在常溫下展示，但它的真正運作必須在接近絕對零度（零下273.15攝氏度）的環境中進行；超冷原子量子計算機更不負其名，所需的低溫是三者中最低的，最接近絕對零度。

　　“量子計算機可以實用化，未來全世界會有很多台，但不需要家家都有。”潘建偉說，量子計算機可以和現有的經典計算機配合使用。以現有的手機終端為例，手機就是小型計算機，它要做成低溫的量子計算機，會很難、也沒有必要。“但你可以通過雲計算平台，用手機把需要完成的計算任務送到雲端，讓背景的量子計算機來完成。”

　　潘建偉表示，傳統計算機能算好的問題，量子計算機不需要再去介入。量子計算機瞄準的，是傳統計算機不能解決的難題，“比如玻色取樣對經典計算機太難了，量子計算機在這方面就顯得特别強大”。

　　當量子計算機實用化以後，它能解決哪些實際應用領域的難題呢？

　　密碼分析、氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探、人工智能、大資料……總之，那些需要超大計算量的難題，交給量子計算機就對了！

原文釋出時間為：2017年05月04日

本文作者：佘惠敏

本文來源：

人民網

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