中國量子計(jì)算機(jī)“嬰兒”誕生

中國科學(xué)院日前宣布，在量子計(jì)算機(jī)研究方面取得了突破性進(jìn)展，構(gòu)建出世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)。

位于上海的中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，三平方米的工作臺(tái)上成百上千密密麻麻元器件組成的這臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)，與人們平日使用的計(jì)算機(jī)毫無相似之處。盡管這個(gè)量子計(jì)算機(jī)的“嬰兒”還不如你握著的手機(jī)運(yùn)算速度快，但著名物理學(xué)家、中國科學(xué)院院士潘建偉說，它是量子計(jì)算機(jī)打敗經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)征途中“非常重要的一大步。”

近年來，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能增長越來越困難。探索全新物理原理的高性能計(jì)算技術(shù)的需求應(yīng)運(yùn)而生?？茖W(xué)家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)會(huì)成為未來科技的引擎，是打開無限可能性的鑰匙。一些經(jīng)典算法不可能完成的任務(wù)，量子算法卻可以輕松搞定。如果將未來的量子計(jì)算機(jī)比作大學(xué)教授，今天所謂超級(jí)計(jì)算機(jī)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(jì)算利用量子態(tài)的疊加性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的飛躍?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單位比特只有0和1這兩種狀態(tài)，但量子計(jì)算機(jī)中可以處在0和1的疊加態(tài)上。如果操縱的量子數(shù)目增多，它就會(huì)以指數(shù)級(jí)增長來提升計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

但科學(xué)家說，在可預(yù)見的將來，量子計(jì)算機(jī)并不會(huì)替代人們桌上的電腦和口袋里的手機(jī)，它更不是用來玩網(wǎng)絡(luò)游戲和發(fā)微信的。量子計(jì)算機(jī)實(shí)際上是用來處理一些經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)的老大難問題。

“比如，有一類問題叫‘玻色取樣’，它的計(jì)算復(fù)雜度是隨著粒子數(shù)的增加而指數(shù)增長的。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸朝陽教授解釋說：“這是被稱為‘量子稱霸’的任務(wù)，科學(xué)家最初設(shè)計(jì)這個(gè)問題的動(dòng)機(jī)就是為了顯示量子計(jì)算機(jī)的能力，跟經(jīng)典的計(jì)算機(jī)競賽，看看誰跑得快。”

專家估計(jì)，一臺(tái)操縱50個(gè)微觀粒子的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)“玻色取樣”這類特定問題的處理能力可秒殺目前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)。如果操縱100個(gè)量子，其計(jì)算能力可能比目前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)快百億億倍。如果將來能夠做到1000個(gè)量子以上，科學(xué)家也許就可以研究意識(shí)是怎么產(chǎn)生的，或許能催生強(qiáng)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(jì)算機(jī)。但世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。

目前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在三個(gè)很有希望的方向努力推進(jìn)：光子量子計(jì)算、超冷原子量子計(jì)算和超導(dǎo)量子計(jì)算。

近日，潘建偉及其同事聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，在基于光子和超導(dǎo)體系的量子計(jì)算機(jī)研究方面取得了系列突破性進(jìn)展。

據(jù)介紹，多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。潘建偉團(tuán)隊(duì)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)錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對(duì)多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)。

據(jù)悉，中國科學(xué)家下一步目標(biāo)是在年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，并致力于20個(gè)超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測試；到2020年，希望能夠達(dá)到50個(gè)左右量子比特的操縱，并能夠研制超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

“我認(rèn)為10年之內(nèi)做到100個(gè)量子比特的操縱沒有問題，它的計(jì)算能力可以達(dá)到現(xiàn)在全世界計(jì)算能力總合的百萬倍。”潘建偉說。