中國量子計算機“嬰兒”誕生

中國科學院日前宣布，在量子計算機研究方面取得了突破性進展，構建出世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機。

位于上海的中科院量子信息和量子科技創新研究院實驗室內，三平方米的工作臺上成百上千密密麻麻元器件組成的這臺光量子計算機，與人們平日使用的計算機毫無相似之處。盡管這個量子計算機的“嬰兒”還不如你握著的手機運算速度快，但著名物理學家、中國科學院院士潘建偉說，它是量子計算機打敗經典超級計算機征途中“非常重要的一大步。”

近年來，傳統計算機的性能增長越來越困難。探索全新物理原理的高性能計算技術的需求應運而生。科學家認為，量子計算機會成為未來科技的引擎，是打開無限可能性的鑰匙。一些經典算法不可能完成的任務，量子算法卻可以輕松搞定。如果將未來的量子計算機比作大學教授，今天所謂超級計算機的能力甚至還比不上剛上幼兒園的小班兒童。

潘建偉介紹，量子計算利用量子態的疊加性質，可以實現計算能力的飛躍。現在計算機的運算單位比特只有0和1這兩種狀態，但量子計算機中可以處在0和1的疊加態上。如果操縱的量子數目增多，它就會以指數級增長來提升計算機的運算速度。

但科學家說，在可預見的將來，量子計算機并不會替代人們桌上的電腦和口袋里的手機，它更不是用來玩網絡游戲和發微信的。量子計算機實際上是用來處理一些經典電子計算機的老大難問題。

“比如，有一類問題叫‘玻色取樣’，它的計算復雜度是隨著粒子數的增加而指數增長的。”中國科學技術大學陸朝陽教授解釋說：“這是被稱為‘量子稱霸’的任務，科學家最初設計這個問題的動機就是為了顯示量子計算機的能力，跟經典的計算機競賽，看看誰跑得快。”

專家估計，一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機，對“玻色取樣”這類特定問題的處理能力可秒殺目前最強大的超級計算機。如果操縱100個量子，其計算能力可能比目前最強大的超級計算機快百億億倍。如果將來能夠做到1000個量子以上，科學家也許就可以研究意識是怎么產生的，或許能催生強大到無法想象的人工智能。

不過，迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。

目前，中國科學技術大學潘建偉團隊在三個很有希望的方向努力推進：光子量子計算、超冷原子量子計算和超導量子計算。

近日，潘建偉及其同事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取得了系列突破性進展。

據介紹，多粒子糾纏的操縱作為量子計算的技術制高點，一直是國際角逐的焦點。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，潘建偉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。

據悉，中國科學家下一步目標是在年底實現大約20個光量子比特的操縱，并致力于20個超導量子比特樣品的設計、制備和測試；到2020年，希望能夠達到50個左右量子比特的操縱，并能夠研制超導量子計算機。

“我認為10年之內做到100個量子比特的操縱沒有問題，它的計算能力可以達到現在全世界計算能力總合的百萬倍。”潘建偉說。