比超級計算機還厲害！中國科學家建成世界首臺光量子計算機

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，中國科研團隊成功構建光量子計算機，首次演示了超越早期經典計算機的量子計算能力。

日前，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，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。3日，該研究團隊在上海正式發(fā)布了這一系列研究成果。

潘建偉教授在現場宣布，在光學體系，研究團隊在去年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質量子點單光子源構建了世界首臺超越早期經典計算機的單光子量子計算機。

在超導體系，研究團隊打破了之前由谷歌、NASA和UCSB公開報道的九個超導量子比特的操縱，實現了目前世界上最大數目（十個）超導量子比特的糾纏，并在超導量子處理器上實現了快速求解線性方程組的量子算法。

系列成果已發(fā)表于國際權威學術期刊《自然光子學》和《物理評論快報》上。

量子計算利用量子相干疊加原理，在原理上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(guī)模計算難題提供有效解決方案。

“例如，一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可超過超級計算機。發(fā)展量子計算技術的主要挑戰(zhàn)通過發(fā)展高精度、高效率的量子態(tài)制備與相互作用控制技術，實現規(guī)?；孔颖忍氐南喔刹倏v。”潘建偉說。

據介紹，根據各物理體系內在優(yōu)勢及其在實現多粒子相干操縱和糾纏方面的發(fā)展現狀和潛力，目前，國際學術界在基于光子、超冷原子和超導線路體系的量子計算技術發(fā)展上總體較為領先。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。

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。在光子體系，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，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，構建了針對多光子“玻色取樣”任務的光量子計算原型機。

潘建偉說：“實驗測試表明，該原型機的‘玻色取樣’速度不僅比國際同行類似的之前所有實驗加快至少24000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）運行速度快10-100倍。”

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國際學術界稱之為“量子稱霸”的目標奠定了堅實的基礎。

“朝著這個目標，我們研究團隊將計劃在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱，將接近目前最好的商用CPU。”陸朝陽說。

此外，在超導體系，2015年，谷歌、美國航天航空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。這個記錄在2017年被中國科學家團隊首次打破。朱曉波、王浩華和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導量子線路樣品，通過高精度脈沖控制和全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的多體純糾纏，并通過層析測量方法完整地刻畫了十比特量子態(tài)。進一步，研究團隊利用超導量子線路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（成果即將發(fā)表于《物理評論快報》）。研究團隊正在致力于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發(fā)布量子云計算平臺。

上述工作由中國科學技術大學、浙江大學、中科院物理所等協同完成，受到了中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室、國家自然科學基金委、科技部和教育部2011計劃等的資助。