3日，科研人員在中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院上海實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)整操作臺(tái)上的激光干擾器。新華社記者 方喆攝

日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽教授、朱曉波教授等，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。3日，該研究團(tuán)隊(duì)正式發(fā)布了這一系列研究成果。

潘建偉在現(xiàn)場(chǎng)宣布，在光學(xué)體系，研究團(tuán)隊(duì)在去年首次實(shí)現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)。

在超導(dǎo)體系，研究團(tuán)隊(duì)打破了之前由谷歌、NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）和UCSB（加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校）公開報(bào)道的9個(gè)超導(dǎo)量子比特的操縱，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，并在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。

系列成果已發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然光子學(xué)》，即將發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)要算15萬年的難題，量子計(jì)算機(jī)只需1秒

1981年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼指出，由于量子系統(tǒng)具有天然的并行處理能力，用它所實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)很可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。1994年，麻省理工學(xué)院的Peter Shor教授提出分解大質(zhì)因數(shù)的高效量子算法，量子計(jì)算引發(fā)了世界各國(guó)的強(qiáng)烈興趣。

“由于量子比特是0和1的疊加態(tài)，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)。這一特點(diǎn)使得量子計(jì)算可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。”潘建偉說，“比如，300位10進(jìn)制那么長(zhǎng)數(shù)，用我們目前萬億次的傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)拿來算的話，大概需要算15萬年。但如果能夠造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，它計(jì)算的頻率也是萬億次的話，只需要1秒鐘就可以算完。從這個(gè)角度上講，量子的并行計(jì)算能力是非常強(qiáng)大的。”

此外，一臺(tái)操縱50個(gè)微觀粒子的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)特定問題的處理能力可超過超級(jí)計(jì)算機(jī)。

那哪些算特定問題呢？

朱曉波說：“比如說大數(shù)字分解，這個(gè)是用于現(xiàn)在加密的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的算法。那么你如果能解一個(gè)大數(shù)字分解，就能解密現(xiàn)在很多的加密算法。如果很多加密算法都失效了，國(guó)家金融安全、軍事安全等都會(huì)受到嚴(yán)重影響。還有，量子計(jì)算機(jī)做到一定規(guī)模之后，很有可能實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的快速搜索，以后在解決搜索問題的時(shí)候就具有巨大的優(yōu)勢(shì)。”

據(jù)專家介紹，根據(jù)各物理體系內(nèi)在優(yōu)勢(shì)及其在實(shí)現(xiàn)多粒子相干操縱和糾纏方面的發(fā)展現(xiàn)狀和潛力，目前，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。

研究仍處早期，我國(guó)計(jì)劃在年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱

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)錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)此次利用自主發(fā)展的綜合性能國(guó)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)。

潘建偉說：“實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該原型機(jī)的‘玻色取樣’速度不僅比國(guó)際同行類似的之前所有實(shí)驗(yàn)加快至少2.4萬倍，同時(shí)，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）運(yùn)行速度快10—100倍。”

這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算這一國(guó)際學(xué)術(shù)界稱之為“量子稱霸”的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“量子計(jì)算領(lǐng)域有幾個(gè)大家共同努力的指標(biāo)性節(jié)點(diǎn)：第一，展示超越首臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力；第二，展示超越商用CPU的計(jì)算能力；第三，展示超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。我們實(shí)現(xiàn)的只是其中的第一步，也是一小步，但是是重要的一步。”潘建偉說。

“朝著這個(gè)目標(biāo)，我們研究團(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，將接近目前最好的商用CPU。”陸朝陽說。

但由于高精度量子操控技術(shù)的極端復(fù)雜性，目前量子計(jì)算研究仍處于早期發(fā)展階段。“像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣具有通用功能的量子計(jì)算機(jī)最終能否研制成功，對(duì)整個(gè)科學(xué)界還是個(gè)未知數(shù)。”潘建偉說。

在信息安全、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、導(dǎo)航等方面，量子技術(shù)未來將極大地改變生活

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，對(duì)計(jì)算能力的需求可以用一個(gè)詞來形容，就叫做“貪得無厭”。同時(shí)，計(jì)算能力的強(qiáng)弱也對(duì)社會(huì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)人們能夠把數(shù)據(jù)里面有效的數(shù)據(jù)結(jié)果都通過計(jì)算給提取出來的話，每一個(gè)數(shù)據(jù)才會(huì)成為真正的財(cái)富。

談到量子計(jì)算機(jī)未來的應(yīng)用前景，潘建偉充滿信心：“我認(rèn)為量子技術(shù)領(lǐng)域目前主要有幾個(gè)方面離實(shí)用非常近：量子通信主要是用在保密方面，它可以大大提高信息安全水平。除此之外，量子計(jì)算可能很快在某些特定計(jì)算方面超越目前傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算。這些技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、藥物設(shè)計(jì)、基因分析、各種導(dǎo)航等方面也將起到巨大的作用，會(huì)給我們的生活帶來極大的改變。比如，我們現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)只能預(yù)報(bào)幾天，因?yàn)槿绻A(yù)報(bào)第六天、第七天，計(jì)算的時(shí)間可能需要100天，而100天后再來預(yù)測(cè)第六七天的天氣就沒什么意義了。”

據(jù)潘建偉介紹，在我國(guó)即將啟動(dòng)的量子通信和量子計(jì)算機(jī)的重大項(xiàng)目里，對(duì)光、超導(dǎo)、超冷原子等方向上都已經(jīng)做了相應(yīng)的布局。

“在以后的10到15年里，量子技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將是非常激烈的。比如英國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家量子技術(shù)專項(xiàng)、歐盟啟動(dòng)了量子旗艦專項(xiàng)、美國(guó)在論證相應(yīng)的計(jì)劃。包括谷歌、IBM、微軟等在內(nèi)的一些美國(guó)公司也都介入到相關(guān)研發(fā)了。”潘建偉說