5月3日，中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院在上海宣布，中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陸朝陽(yáng)、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)教授王浩華研究組，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。
世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波正在展示超導(dǎo)量子比特處理器的芯片。
當(dāng)前，量子計(jì)算機(jī)的概念十分火熱。無(wú)數(shù)好萊塢大片、科幻小說(shuō)都提到了這項(xiàng)“酷炫到爆炸”的科技。
鑒于其強(qiáng)大功能，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)也成為全球頂尖科研機(jī)構(gòu)的“兵家必爭(zhēng)之地”。
在光學(xué)體系，中國(guó)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)；在超導(dǎo)體系，中國(guó)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目（10個(gè)）超導(dǎo)量子比特的糾纏，系列成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然—光子學(xué)》和《物理評(píng)論快報(bào)》。
用潘建偉的話說(shuō)：“未來(lái)量子計(jì)算的能力可能超越人類(lèi)想象。而現(xiàn)在，中國(guó)已經(jīng)迎來(lái)了自己的‘相變點(diǎn)’?！?/p>
“秒殺”超級(jí)計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的并行計(jì)算和模擬能力，計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。
比如，有一個(gè)特別大的數(shù)字，人們想知道它是由哪兩個(gè)數(shù)字相乘得到的。這類(lèi)“大數(shù)分解”問(wèn)題，如果利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解一個(gè)300位的大數(shù)，需要15萬(wàn)年；而利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，則只需一秒鐘。
同樣，求解一個(gè)億億億變量的方程組，利用目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要100年，而利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，則只需要0.01秒。
“一臺(tái)操縱50個(gè)微觀粒子的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)特定問(wèn)題的處理能力就可以超過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)。因此，量子計(jì)算機(jī)在密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探等需要解決大規(guī)模計(jì)算難題的領(lǐng)域有巨大優(yōu)勢(shì)?！迸私▊フf(shuō)。
由于量子計(jì)算的巨大潛在價(jià)值，歐美各國(guó)都在積極整合各方面研究力量和資源，開(kāi)展協(xié)同攻關(guān)，同時(shí)，大型科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強(qiáng)勢(shì)介入量子計(jì)算研究。
“傳統(tǒng)項(xiàng)目”超越經(jīng)典
當(dāng)前，國(guó)際學(xué)術(shù)界在基于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路體系的量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展上總體較為領(lǐng)先。中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在這3個(gè)領(lǐng)域均有涉獵。
多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的核心資源，一直是國(guó)際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在多光子糾纏領(lǐng)域始終保持著國(guó)際領(lǐng)先水平，并于2016年底把紀(jì)錄刷新至10光子糾纏，這一領(lǐng)域，可以說(shuō)是中國(guó)的“傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)”。
在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)利用自主發(fā)展的綜合性能?chē)?guó)際最優(yōu)的量子點(diǎn)單光子源，通過(guò)調(diào)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)。
陸朝陽(yáng)說(shuō)，研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的目的就是解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的問(wèn)題，例如“玻色取樣”這個(gè)題目，經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算起來(lái)難度就很大。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該量子計(jì)算原型機(jī)的“玻色取樣”速度不僅比國(guó)際同行快了至少2.4萬(wàn)倍，同時(shí)，通過(guò)和經(jīng)典算法比較，也比人類(lèi)歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10~100倍。
中國(guó)人造出的這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，是人類(lèi)歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子計(jì)算機(jī)，它為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算這一國(guó)際學(xué)術(shù)界稱(chēng)之為“量子稱(chēng)霸”的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
“這次之所以跟早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)‘較量’，是因?yàn)槲覀兊牧孔佑?jì)算機(jī)還是個(gè)‘孩子’，所以也要跟‘同齡小孩’比較。”潘建偉坦言，“目前這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)跟筆記本電腦的能力比還有很大差距，但量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展就像雨后春筍，最開(kāi)始幾年才能長(zhǎng)1厘米，后面就會(huì)‘躥’得很快，現(xiàn)在我們已經(jīng)看到了爆發(fā)式增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。”
潘建偉透露，朝著這個(gè)目標(biāo)，他們團(tuán)隊(duì)將計(jì)劃在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，那時(shí)的光子量子計(jì)算機(jī)，將有望達(dá)到與筆記本電腦相抗衡的計(jì)算能力。
“這么重要的方向，我們決不能漏掉”
由于其可集成性、消相干性等表現(xiàn)非常好，超導(dǎo)量子被很多人認(rèn)為是最有希望研制性能可拓展的量子計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)技術(shù)，也是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的一個(gè)方向。2015年，谷歌、美國(guó)宇航局和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。
而中國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域并沒(méi)有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，人才隊(duì)伍也較為匱乏，這一現(xiàn)狀，讓潘建偉十分焦慮。
“如果我們還是像以前一樣各干各的，很難做出好成果。谷歌那么大一個(gè)團(tuán)隊(duì)，很容易就把我們的年輕苗子給‘捏死’了。這么重要的方向，我們決不能漏掉?！?/p>
潘建偉感到，要在這個(gè)領(lǐng)域彎道超車(chē)，必須要搞協(xié)同創(chuàng)新，把全國(guó)的優(yōu)勢(shì)力量集中起來(lái)。于是，他所在的中科大聯(lián)合了浙江大學(xué)、中科院物理研究所等單位進(jìn)行合作攻關(guān)，大家都拿出了自己的看家本領(lǐng)，終于打破了美國(guó)人保持的紀(jì)錄。
朱曉波、王浩華、陸朝陽(yáng)和潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過(guò)高精度脈沖控制和全局糾纏操作，成功實(shí)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(guò)層析測(cè)量方法完整地刻畫(huà)了10比特量子態(tài)。
隨后，研究團(tuán)隊(duì)用這個(gè)超導(dǎo)量子線路演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過(guò)量子計(jì)算的并行性加速求解線性方程組的可行性，這一成果已經(jīng)被《物理評(píng)論快報(bào)》雜志接收。
“與超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的耗能非常少，基本上最普通的實(shí)驗(yàn)室就能夠滿(mǎn)足需求。”朱曉波說(shuō)，目前團(tuán)隊(duì)正在致力于20個(gè)超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測(cè)試，并計(jì)劃于今年年底前發(fā)布量子云計(jì)算平臺(tái)。他們希望，到2020年左右能夠達(dá)到50個(gè)超導(dǎo)量子比特的水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的“量子稱(chēng)霸”。
正如古代發(fā)明算盤(pán)的人不會(huì)想到今天的計(jì)算機(jī)一樣，潘建偉承認(rèn)，就連他也難以預(yù)料未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的巨大能量。但“人類(lèi)對(duì)計(jì)算能力的追求永無(wú)止境”，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)，也會(huì)繼續(xù)朝著這個(gè)令人激動(dòng)的未來(lái)，不斷前行。