佘惠敏

世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機已在中國誕生——中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院于2017年5月3日在上海發(fā)布的這個消息驚動了世界。

這是一臺什么樣的計算機？傳說中可秒殺現(xiàn)有計算機的量子計算機何時能走入現(xiàn)實？

中國量子：奠定“量子稱霸”基礎(chǔ)

什么是量子計算機？當(dāng)某個物理裝置運算、存儲和處理的是量子信息，運行的是量子算法時，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(xué)家們?yōu)橹O(shè)計了多種技術(shù)實現(xiàn)路徑?，F(xiàn)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(dǎo)量子計算機。而我國科學(xué)家2017年5月3日發(fā)布的量子計算機成果有兩個，分別屬于光量子計算機和超導(dǎo)量子計算機范疇。

光量子計算機

在光量子計算機領(lǐng)域，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、陸朝陽教授領(lǐng)導(dǎo)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(wù)時，它的速度不僅比國際同行之前所有類似實驗的最高紀(jì)錄加快至少24 000倍，同時，通過和經(jīng)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。

“玻色取樣”是計算復(fù)雜度隨著粒子數(shù)的增加而指數(shù)增長的一類數(shù)學(xué)問題，特別適合用量子計算機來計算。

“與我們這臺超越早期經(jīng)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只是沒法實用的游戲機?！迸私▊フf。

5月2日，該研究成果以長文的形式在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。審稿人評價稱，中國科學(xué)家“建造出了第一代量子計算機，是量子計算機中的●ENIAC”。

國際學(xué)術(shù)界將量子計算機計算能力超過現(xiàn)有經(jīng)典超級計算機的目標(biāo)，稱為“量子稱霸”。中國的這臺光量子計算機，是人類歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子模擬機，為人類最終實現(xiàn)“量子稱霸”目標(biāo)奠定了堅實基礎(chǔ)。

“玻色取樣”任務(wù)中，目前最快的超級計算機能處理約45個粒子?！拔覀冇媱澰诮衲昴甑讓崿F(xiàn)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(xiàn)有最好的商用CPU電子計算機。”潘建偉說。

超導(dǎo)量子計算

在超導(dǎo)體系，2015年，谷歌、美國國家航空航天局（NASA）和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。這個紀(jì)錄在2017年被中國科學(xué)家團隊首次打破。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波、浙江大學(xué)教授王浩華的研究團隊和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，成功實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)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比特量子態(tài)。

“簡單地說，我們做出了10量子的超導(dǎo)量子計算機CPU芯片，并用它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。”朱曉波說。目前研究團隊正在致力于20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計、制備和測試，并計劃于今年年底前發(fā)布量子云計算平臺。

量子計算：計算機中的“戰(zhàn)斗機”

如果把現(xiàn)在傳統(tǒng)的電子計算機比作自行車，那么，初試啼聲的量子計算機就好比飛機，它未來的計算能力將秒殺傳統(tǒng)計算機。

現(xiàn)有的電子計算機，1個物理比特只能存儲1個邏輯態(tài)——或者0，或者1。而量子計算機利用的是量子的相干疊加原理，可以制備在兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，1個量子比特（量子信息的計量單位）可以同時存儲0和1。

這意味著量子計算機的處理能力將隨著比特數(shù)的增加而呈指數(shù)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(shù)進行數(shù)學(xué)運算，相當(dāng)于經(jīng)典計算機算上2的N次方次。

量子計算計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，這可以為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。

“分解300位大數(shù)，利用萬億次經(jīng)典計算機需要15萬年，利用萬億次量子計算機只需要1秒。”潘建偉預(yù)測，2020年左右超導(dǎo)量子計算機就可以操縱50個量子比特，屆時就可以實現(xiàn)“量子稱霸”，在處理一些特定問題的能力上超越經(jīng)典計算機中計算能力最強的超級計算機。他還預(yù)計，10年內(nèi)量子計算機將可能實現(xiàn)對100個粒子的相干操縱，屆時它處理特定問題的能力就可以達到現(xiàn)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。

我國將要啟動的人工智能2.0計劃中，就有量子人工智能的專門部分，其技術(shù)基礎(chǔ)就是量子計算機。而在這之前，“我們首先要通過三五年努力，實現(xiàn)量子稱霸，讓量子計算機在某些特定問題上超越經(jīng)典超級計算機?！?/p>

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指數(shù)級增加有多么厲害呢？我們來看個故事吧：傳說中有一名宰相發(fā)明了國際象棋獻給國王，國王問他需要什么獎勵時，他說只需要賞賜一些麥子即可：在棋盤上第1個格子里放1顆，第2格放2顆，第3格4顆，此后每一格放的麥子數(shù)都是前一格的2倍。國王以為這個賞賜很容易，卻發(fā)現(xiàn)整個國庫的糧食全放進去都不夠。原來，國際象棋有64格，那么需要的麥?？傤w數(shù)就是2的64次方減1，這大約是140萬億升小麥，需要全世界生產(chǎn)2 000年！

展望未來：遇到難題交給“量子”

量子計算機這么牛，電子計算機還能跟它好好做朋友嗎？這是當(dāng)然，在科學(xué)家們眼里，它們是可以“哥倆好”的。

光量子計算機包含3個主要部分。

第一部分是單光子源，在-269 ℃的低溫中，這個設(shè)備通過激光激發(fā)量子點，每次產(chǎn)生一個高品質(zhì)的單光子，是國際上最高品質(zhì)和最高效率的單光子源。“目前我們搭建的這個設(shè)備是國際上綜合性能最優(yōu)的，產(chǎn)生的單光子品質(zhì)比國際第二名要高10～100倍?！标懗栒f。

第二部分是超低損耗光量子線路。單光子通過開關(guān)分成5路，通過光纖導(dǎo)入主體設(shè)備光學(xué)量子網(wǎng)絡(luò)。研究員操控5個單光子，分別進入光量子網(wǎng)絡(luò)的16×16矩陣，在矩陣中對光量子進行操作。

第三部分是單光子探測器，探測矩陣中得到的量子計算結(jié)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(lǐng)域始終保持著國際領(lǐng)先水平，并于2016年底把紀(jì)錄刷新至10光子糾纏。光量子計算機就是在這個基礎(chǔ)上，團隊利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點單光子源，通過電控可編程的光量子線路構(gòu)建而成。

顧名思義，量子計算機需要對量子進行高精度的調(diào)控，需要極低的溫度。三大目前發(fā)展最快的量子計算機體系中，光量子計算機可以在室溫下運行，但要在-269 ℃的低溫中產(chǎn)生單光子；超導(dǎo)量子計算機的CPU芯片可以在常溫下展示，但它的真正運行必須在接近絕對零度（-273.15 ℃）的環(huán)境中進行；超冷原子量子計算機更不負(fù)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臺，但不需要家家都有?！迸私▊フf，量子計算機可以和現(xiàn)有的經(jīng)典計算機配合使用。以現(xiàn)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?！暗憧梢酝ㄟ^云計算平臺，用手機把需要完成的計算任務(wù)送到云端，讓后臺的量子計算機來完成。”

潘建偉表示，傳統(tǒng)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(zhǔn)的，是傳統(tǒng)計算機不能解決的難題?！氨热绮Ｉ訉?jīng)典計算機太難了，量子計算機在這方面就顯得特別強大?！?/p>

當(dāng)量子計算機實用化以后，它能解決哪些實際應(yīng)用領(lǐng)域的難題呢？

密碼分析、氣象預(yù)報、藥物設(shè)計、金融分析、石油勘探、人工智能、大數(shù)據(jù)……總之，那些需要超大計算量的難題，交給量子計算機就對了！