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预见未来黑科技：光量子计算机

5月27日,在贵州贵阳召开的2017中国国际大数据产业博览会正式发布“十大黑科技”,其中信息技术与基础设施类单元中,中国光量子计算机获得“大数据类最佳黑科技奖”.这是继5月3日,国际著名物理学家、量子信息实验研究领域开拓者之一、中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟在上海正式发布研究成果“中国科研团队成功构建光量子计算机并首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力”之后,中国光量子计算机率先在数博会上“展露真容”.

光量子计算机实现了两大重要突破：首先,这是由中国科研团队完成的世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机；其次,这也是世界上纠缠数目最多（10个）的超导量子比特处理器.光量子计算机的诞生,标志着我国在基于光子的量子计算机研究方面取得突破性进展,为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了坚实基础.

这台光量子计算机由潘建伟院士及其中国科学技术大学同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面共同完成的光量子计算机,是地地道道的“中国制造”,为迈入量子计算时代奠定了坚实的技术基础.未来的新型计算机,或许将由中国光量子计算机重新定义.

在理解量子计算机之前,我们首先需要知道什么是量子纠缠和量子叠加原理.按照经典计算机的设计原理,科学家们在传统芯片的晶体管中,用0和1的二进制来表示信息.但在量子力学的世界里,依据量子的物理性质,它能够呈现叠加状态,能同时表示0和1.处于叠加态的量子比特能以一种叫做量子纠缠的现象相互联系,简单来说,就是一个量子比特的行为能瞬间影响到另一个量子比特.

依据量子比特的特殊性,著名物理学家理查德·费曼最早提出了量子计算机.按照他当时的设想,如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,运算时间可大幅度减少.所谓量子计算机是指利用量子相干叠加原理,在理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机.随着可操纵的微观粒子数增加,量子计算机的计算能力将呈指数级增长.一台操纵50个微观粒子的量子计算机,对特定问题的处理能力可超过目前全球最快的超级计算机.例如,使用亿亿次的“天河二号”超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组,所需时间为100年；而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组,仅需0.01秒.

费曼对量子计算机概念的阐述还有个经典的应用场景描述：你被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母“X”,这几乎是不可能的,因为那里有5000万册书.但是如果你处于5000万个平行现实中,每个现实都可以查看不同的书籍,那么你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”.在这个假设中,普通计算机就像是前一种情形中疯子般的那个你,需要在5分钟内找遍尽可能多的书.而量子计算机却能复制出5000万个你,每个只需翻找一本书即可.

目前国际上学术界对于量子计算技术的研究有很多方案,其中包括基于光子、超冷原子和超导线路等3个受到广泛关注的体系.由于量子计算的巨大潜在价值,欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源,开展协同攻关,同时,大型高科技公司如谷歌、微软、I B M等也强势介入量子计算研究.在光子体系,潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子纠缠,一直保持着国际领先水平,并于2016年年底把纪录刷新至十光子纠缠.在此基础上,潘建伟、陆朝阳等利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源,通过电控可编程的光量子线路,构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机.

潘建伟团队的此次实验,使得中国的超导体系量子计算机研究,进入世界一流水平行列.根据量子计算测试结果,基于单光子的量子计算原型机取样速度比国际同行类似的之前所有实验加快至少24000倍；通过和经典算法比较,比人类历史上第一台电子管计算机（E N I A C）和第一台晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10?100倍.

在超导体系已经公开的结果中,2015年,谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵.这个纪录在2017年被打破,包括潘建伟、朱晓波、王浩华和陆朝阳在内的中国科学家团队自主研发了10比特超导量子线路样品,成功实现目前世界上最大数目即10个超导量子比特的纠缠和完整的测量.研究团队还进一步利用超导量子线路演示了求解线性方程组的量子算法,证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性.

2016年,潘建伟团队首次成功实现“十光子纠缠”.多粒子纠缠操纵作为量子信息处理基本能力的核心指标,近年来一直是国际学界角逐的焦点.操纵的纠缠光子数目越多,量子信息处理能力就会呈指数增长,但同时实验实现的难度也急剧增加.

经过努力,潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,把比特数目扩展到10个,并制备了10比特的纠缠G H Z态,保真度大于66%,据介绍,在目前公开的结果中,这是超导量子比特系统中纠缠的数目最多的.

从最初的3比特,到5比特,到6比特,再到如今的10比特,此次测试的成功标志着中国在超导量子比特集成系统的设计制备、控制与测量等各方面都打下了坚实的基础.潘建伟院士说：“要造出有一定应用价值的量子计算机,还需要10到20年的努力.”根据计划,潘建伟院士的研究团队要在今年底实现大约20个光量子比特的操纵,20个超导量子比特样品的设计、制备和测试；到2020年做到45至50个光量子比特的操纵,最终实现量子计算超越经典超级计科算机的“量子称霸”目标.

2015年7月30日,亚洲首个量子计算实验室——“中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室”正式在上海成立.实验室将结合阿里云在经典计算算法、架构和云计算方面的技术优势,以及中科院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势,颠覆摩尔定律,开展在量子信息科学领域的前瞻性研究,探索超越经典计算机的下一代超快计算技术.在今年3月的深圳云栖大会上,阿里云公布了全球首个云上量子加密通讯案例,通过建立多个量子安全传输域,为客户提供无条件安全数据传输服务.马云在宣布启动阿里巴巴的“N A S A计划”时曾表示,量子计算就是阿里巴巴解决20年后计算资源稀缺的秘密武器.预计到2025年,量子计算将达到当今世界最快的超级计算机的水平,将应用于一些目前无法解决的重大科技难题.

（参考来源：中国科学院、中国科学技术大学、《自然·光子学》）

附录：量子应用大事记

1982年,诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出“量子计算机”的概念.

1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔证明量子计算机能够完成对数运算,且速度远胜传统计算机.

1997年,科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输.

2005年,世界第一台量子计算机原型机在美国诞生,基本符合了量子力学的全部本质特性.

2007年2月,加拿大D-We系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机.

2007年,维也纳大学的安东·齐林格和他的同事们用一对纠缠光子在加那利群岛的两个岛之间传输了一份量子信息,传送距离超过了143千米.

2010年1月,美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量.

2010年3月,德国于利希研究中心发表公报：该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机.

2010年,中国科大—清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输,传输距离达16公里.

2012年3月,I B M做到了在减少基本运算误差的同时,保持量子比特的量子机械特性完整性.