世界第一台光量子計算機誕生奠基2020年"量子稱霸"

新華社上海5月3日電(記者喻菲、全曉書、周琳)科學院3日宣布在量子計算機研究方面取得突破性進展,構建出世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機,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」的目標奠定了堅實基礎。

位於上海的中科院量子信息和量子科技創新研究院實驗室內,3平米的工作台上成百上千密密麻麻元器件組成的這台光量子計算機,與人們平日使用的計算機毫無相似之處。儘管這個量子計算機的「嬰兒」還不如你握著的手機運算速度快,但著名物理學家、科學院院士潘建偉說,它是量子計算機打敗經典超級計算機征途中「非常重要的一大步」。

潘建偉預計,有望在今年年底製造出能與通用手提電腦計算能力相比擬的量子計算機,並計劃在2020年製造出超越目前最強大的超級計算機的量子計算機,實現「量子稱霸」。

「量子計算研究就像雨後的春筍,到了爆髮式發展的關鍵時刻。」潘建偉說。

要玩經典計算機玩不轉的遊戲

近年來,傳統計算機的性能增長越來越困難。探索全新物理原理的高性能計算技術的需求應運而生。科學家認為,量子計算機會成為未來科技的引擎,是打開無限可能性的鑰匙。一些經典演算法不可能完成的任務,量子演算法卻可以輕鬆搞定。如果將未來的量子計算機比作大學教授,今天所謂超級計算機的能力甚至還比不上剛上幼稚園的小班兒童。

據潘建偉介紹,量子計算利用量子態的疊加性質,可以實現計算能力的飛躍。現在計算機的運算單位比特只有0和1這兩種狀態,但量子計算機中可以處在0和1的疊加態上。如果操縱的量子數目增多,它就會以指數級增長來提升計算機的運算速度。

但科學家說,在可預見的將來,量子計算機並不會替代人們桌上的電腦和口袋裡的手機,它更不是用來玩網路遊戲和發微信的。量子計算機實際上是用來處理一些經典電子計算機的老大難問題。

「比如,有一類問題叫『玻色取樣』,它的計算複雜度是隨著粒子數的增加而指數增長的。」科學技術大學陸朝陽教授解釋說,「這是被稱為『量子稱霸』的任務,科學家最初設計這個問題的動機就是為了顯示量子計算機的能力,跟經典的計算機競賽,看看誰跑得快。」

專家估計,一台操縱50個微觀粒子的量子計算機,對「玻色取樣」這類特定問題的處理能力可秒殺目前最強大的超級計算機。如果操縱100個量子,其計算能力可能比目前最強大的超級計算機快百億億倍。如果將來能夠做到1000個量子以上,科學家也許就可以研究意識是怎麼產生的,或許能催生強大到無法想象的人工智慧。

科學家的新突破

迄今為止,世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是,世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算,方案不少,問題是對微觀量子態的操縱確實太困難了。

目前,科學技術大學潘建偉團隊在3個很有希望的方向努力推進:光子量子計算、超冷原子量子計算和超導量子計算。

近日,潘建偉及其同事陸朝陽、朱曉波等,聯合浙江大學王浩華教授研究組,在基於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。

據介紹,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。潘建偉團隊在多光子糾纏領域始終保持著國際領先水平,並於2016年底把紀錄刷新至10光子糾纏。在此基礎上,潘建偉團隊利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源,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。

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,通過和經典演算法比較,也比人類歷史上第一台電子管計算機(ENIAC)和第一台晶體管計算機(TRADIC)運行速度快10-100倍。5月2日,該研究成果以長文的形式在線發表於《自然-光子學》。

在超導體系,科學家製造出世界上糾纏數目最多的超導量子比特處理器。2015年,谷歌、美國航空航天局和加州大學聖芭芭拉分校宣布實現了9個超導量子比特的操縱。這個記錄在2017年被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,首次實現了10個超導量子比特的糾纏,並實現了快速求解線性方程組的量子演算法,這一成果即將發表於《物理評論快報》。

《自然-光子學》審稿人評價科學家的成果時說,這是具有很高水平和很大影響力的工作。而英國物理學會評價說,10個超導比特的糾纏被物理學家實現了,一群物理學家在競爭中領先了。

量子計算機將走進現實

由於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。

《自然》雜誌在2017年年初的一篇以《2017年將是量子計算機從實驗室走進現實》為題的文章中說,量子計算長期以來都被認為是20年以後才會實現的技術。但是,2017可能是這領域改變其「僅限於研究」印象的一年。

科學家預計,量子計算機將使人類的日常生活大大改變。例如在公共安全領域,量子計算可以瞬間處理監控資料庫中60億人次的臉部圖片,並實時辨別出一個人的身份；在公共交通領域,量子計算能夠迅速對複雜的交通狀況進行分析預判,從而調度綜合交通系統最大限度避免道路擁堵；在氣象預測方面,量子計算能夠將儀器檢測數據結合模型全面預測分析,從而實現更高精準度的天氣預報……量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納製造、藥物設計、金融分析、在宇宙中尋找第二個地球等領域具有突出優勢。

科學家下一步目標是在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱,並致力於20個超導量子比特樣品的設計、製備和測試。到2020年希望能夠達到50個左右量子比特的操縱,能夠研製實現「量子稱霸」的超導量子計算機。

「我認為10年之內做到100個量子比特的操縱沒有問題,它的計算能力可以達到現在全世界計算能力總和的百萬倍。」潘建偉說。

在20世紀40至70年代經典計算機技術初步發展時期,基本上只有歐美數國活躍的身影；在量子計算這新一輪科技浪潮中,已經具備一定實力和研究成果,並在某些方面具有國際領先優勢。