【延伸閱讀】量子計算“稱霸”在望——記世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)在中國誕生
世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)已在中國誕生，中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院5月3日在上海發(fā)布的這個消息驚動了世界。
這是一臺什么樣的計算機(jī)？傳說中可“秒殺”現(xiàn)有計算機(jī)的量子計算機(jī)何時能走入現(xiàn)實(shí)？請看《經(jīng)濟(jì)日報》記者從上海發(fā)回的報道。
中國量子：奠定“量子稱霸”基礎(chǔ)
什么是量子計算機(jī)？當(dāng)某個物理裝置運(yùn)算、存儲和處理的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時，它就是量子計算機(jī)。
量子計算機(jī)是國際研究熱點(diǎn)，世界各國的科學(xué)家們?yōu)橹O(shè)計了多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑，其中，國際學(xué)術(shù)界在基于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路這3種體系的量子計算技術(shù)發(fā)展上總體較為領(lǐng)先。也就是說，現(xiàn)在進(jìn)展最快的有3類量子計算機(jī)：光量子計算機(jī)、超冷原子量子計算機(jī)、超導(dǎo)量子計算機(jī)。
我國科學(xué)家5月3日發(fā)布的量子計算機(jī)成果，其實(shí)是兩個，分別屬于光量子計算機(jī)和超導(dǎo)量子計算機(jī)范疇。
在光量子計算機(jī)領(lǐng)域，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、陸朝陽教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，研制出一種操控5個粒子（即5個光量子比特）的光量子計算原型機(jī)，在完成“玻色取樣”任務(wù)時，它的速度不僅比國際同行之前所有類似實(shí)驗(yàn)的最高紀(jì)錄加快至少24000倍，同時，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機(jī)ENIAC和第一臺晶體管計算機(jī)TRADIC的運(yùn)行速度快10倍—100倍。
“玻色取樣”是計算復(fù)雜度隨著粒子數(shù)的增加而指數(shù)增長的一類數(shù)學(xué)問題，特別適合用量子計算機(jī)來計算。
“與我們這臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的量子計算原型機(jī)比起來，之前報道過的同類量子計算機(jī)只是沒法實(shí)用的游戲機(jī)。”潘建偉說。
5月2日，該研究成果以長文的形式在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。審稿人評價稱，中國科學(xué)家“建造出了第一代量子計算機(jī)，是量子計算機(jī)中的ENIAC”（ENIAC是人類歷史上第一臺電子管計算機(jī)）。
國際學(xué)術(shù)界將量子計算機(jī)計算能力超過現(xiàn)有經(jīng)典超級計算機(jī)的目標(biāo)，稱為“量子稱霸”。中國的這臺光量子計算機(jī)，是人類歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子模擬機(jī)，為人類最終實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”目標(biāo)奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。
“玻色取樣”任務(wù)中，目前最快的超級計算機(jī)能處理約45個粒子。“我們計劃在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，對玻色取樣問題的計算能力就能超越現(xiàn)有最好的商用CPU電子計算機(jī)。”潘建偉說。
在超導(dǎo)量子計算機(jī)領(lǐng)域，我國科學(xué)家也取得了重大突破。
在超導(dǎo)體系，2015年，谷歌、美國航空航天局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實(shí)現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。這個記錄在2017年被中國科學(xué)家團(tuán)隊首次打破。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波、浙江大學(xué)教授王浩華的研究團(tuán)隊和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，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，并通過層析測量方法完整地刻畫了10比特量子態(tài)。
“簡單地說，我們做出了10個量子的超導(dǎo)量子計算機(jī)CPU芯片，并用它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。”朱曉波告訴記者，相關(guān)量子算法的成果已經(jīng)過審，即將發(fā)表于《物理評論快報》。目前研究團(tuán)隊正在致力于20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)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。
量子計算：計算機(jī)中的“戰(zhàn)斗機(jī)”
如果把現(xiàn)在傳統(tǒng)的電子計算機(jī)比作自行車，那么，量子計算機(jī)就好比飛機(jī)。量子計算機(jī)為何可以成為計算機(jī)界的“戰(zhàn)斗機(jī)”？這與它的計算原理密切相關(guān)。
現(xiàn)有的電子計算機(jī)，1個物理比特只能存儲1個邏輯態(tài)——或者0，或者1。而量子計算機(jī)利用的是量子的相干疊加原理，可以制備在兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，1個量子比特可以同時存儲0和1。
這意味著什么呢？意味著量子計算機(jī)的處理能力將隨著比特數(shù)的增加而呈指數(shù)級上升。量子計算機(jī)有N個比特，就可以一次對2的N次方個數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計算機(jī)算上2的N次方次。
量子計算計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，這可以為經(jīng)典計算機(jī)無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。
“分解300位大數(shù)，利用萬億次經(jīng)典計算機(jī)需要15萬年，利用萬億次量子計算機(jī)只需要1秒。”潘建偉預(yù)測，2020年左右超導(dǎo)量子計算機(jī)就可以操縱50個量子比特，屆時就可以實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”，在處理一些特定問題的能力上超越經(jīng)典計算機(jī)中計算能力最強(qiáng)的超級計算機(jī)。10年內(nèi)量子計算機(jī)將可能實(shí)現(xiàn)對100個粒子的相干操縱，屆時它處理特定問題的能力就可以達(dá)到現(xiàn)有最強(qiáng)超級計算機(jī)的百億億倍，或者目前全世界計算能力總和的百萬倍。
正是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(xié)同攻關(guān)，同時，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強(qiáng)勢介入量子計算研究。
中國科學(xué)家也加入了這場角逐，并取得了相當(dāng)亮眼的成果，并對下一步發(fā)展進(jìn)行了部署。
潘建偉介紹，我國將要啟動的人工智能2.0計劃中，就有量子人工智能的專門部分，其技術(shù)基礎(chǔ)就是量子計算機(jī)。而在這之前，“我們首先要通過三五年努力，實(shí)現(xiàn)量子稱霸，讓量子計算機(jī)在某些特定問題上超越經(jīng)典超級計算機(jī)”。
展望未來：遇到難題交給“量子”
在實(shí)驗(yàn)室里，陸朝陽帶記者參觀了光量子計算機(jī)。
光量子計算機(jī)包含3個主要部分。第一部分是單光子源，在零下269攝氏度的低溫中，這個設(shè)備通過激光激發(fā)量子點(diǎn)，每次產(chǎn)生一個高品質(zhì)的單光子，是國際上最高品質(zhì)和最高效率的單光子源。“目前我們搭建的這個設(shè)備是國際上綜合性能最優(yōu)的，產(chǎn)生的單光子品質(zhì)比國際第二名要高10到100倍。”陸朝陽自豪地說。
第二部分是超低損耗光量子線路。單光子通過開關(guān)分成5路，通過光纖導(dǎo)入主體設(shè)備光學(xué)量子網(wǎng)絡(luò)。
第三部分是單光子探測器，探測矩陣中得到的量子計算結(jié)果。
多粒子糾纏的操縱作為量子計算的核心資源，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系，潘建偉團(tuán)隊在多光子糾纏領(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10光子糾纏。光量子計算機(jī)就是在這個基礎(chǔ)上，團(tuán)隊利用自主發(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)建而成。
顧名思義，量子計算機(jī)需要對量子進(jìn)行高精度調(diào)控，這需要極低的溫度。目前發(fā)展最快的三大量子計算機(jī)體系中，光量子計算機(jī)可以在室溫下運(yùn)行，但要在零下269攝氏度的低溫中產(chǎn)生單光子；超導(dǎo)量子計算機(jī)的CPU芯片可以在常溫下展示，但它的真正運(yùn)行必須在接近絕對零度（零下273.15攝氏度）的環(huán)境中進(jìn)行；超冷原子量子計算機(jī)更不負(fù)其名，所需的低溫是三者中最低的，最接近絕對零度。
“量子計算機(jī)可以實(shí)用化，未來全世界會有很多臺，但不需要家家都有。”潘建偉說，量子計算機(jī)可以和現(xiàn)有的經(jīng)典計算機(jī)配合使用。以現(xiàn)有的手機(jī)終端為例，手機(jī)就是小型計算機(jī)，它要做成低溫的量子計算機(jī)，會很難、也沒有必要。“但你可以通過云計算平臺，用手機(jī)把需要完成的計算任務(wù)送到云端，讓后臺的量子計算機(jī)來完成。”
潘建偉表示，傳統(tǒng)計算機(jī)能算好的問題，量子計算機(jī)不需要再去介入。量子計算機(jī)瞄準(zhǔn)的，是傳統(tǒng)計算機(jī)不能解決的難題，“比如玻色取樣對經(jīng)典計算機(jī)太難了，量子計算機(jī)在這方面就顯得特別強(qiáng)大”。
當(dāng)量子計算機(jī)實(shí)用化以后，它能解決哪些實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的難題呢？
密碼分析、氣象預(yù)報、藥物設(shè)計、金融分析、石油勘探、人工智能、大數(shù)據(jù)……總之，那些需要超大計算量的難題，交給量子計算機(jī)就對了?。ń?jīng)濟(jì)日報·中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者 佘惠敏）
（2017-05-04 07:12:01）
