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、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陸朝陽、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)體系的量子計算機研究方面取得了系列突破性進展。
世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的單光子量子計算機。
中國科學(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，量子計算機的概念十分火熱。無數(shù)好萊塢大片、科幻小說都提到了這項“酷炫到爆炸”的科技。
鑒于其強大功能，量子計算機的研發(fā)也成為全球頂尖科研機構(gòu)的“兵家必爭之地”。
在光學(xué)體系，中國構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的單光子量子計算機；在超導(dǎo)體系，中國團隊實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目（10個）超導(dǎo)量子比特的糾纏，系列成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然—光子學(xué)》和《物理評論快報》。
用潘建偉的話說：“未來量子計算的能力可能超越人類想象。而現(xiàn)在，中國已經(jīng)迎來了自己的‘相變點’。”
“秒殺”超級計算機
量子計算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的并行計算和模擬能力，計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。
比如，有一個特別大的數(shù)字，人們想知道它是由哪兩個數(shù)字相乘得到的。這類“大數(shù)分解”問題，如果利用萬億次經(jīng)典計算機分解一個300位的大數(shù)，需要15萬年；而利用萬億次量子計算機，則只需一秒鐘。
同樣，求解一個億億億變量的方程組，利用目前最快的超級計算機需要100年，而利用萬億次量子計算機，則只需要0.01秒。
“一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力就可以超過超級計算機。因此，量子計算機在密碼分析、氣象預(yù)報、藥物設(shè)計、金融分析、石油勘探等需要解決大規(guī)模計算難題的領(lǐng)域有巨大優(yōu)勢。”潘建偉說。
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，大型科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強勢介入量子計算研究。
“傳統(tǒng)項目”超越經(jīng)典
當(dāng)前，國際學(xué)術(shù)界在基于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路體系的量子計算技術(shù)發(fā)展上總體較為領(lǐng)先。中國科研團隊在這3個領(lǐng)域均有涉獵。
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。在光子體系，潘建偉團隊在多光子糾纏領(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，這一領(lǐng)域，可以說是中國的“傳統(tǒng)強項”。
在此基礎(chǔ)上，該團隊利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點單光子源，通過調(diào)控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計算原型機。
陸朝陽說，研發(fā)量子計算機的目的就是解決傳統(tǒng)計算機難以解決的問題，例如“玻色取樣”這個題目，經(jīng)典計算機計算起來難度就很大。
實驗測試表明，該量子計算原型機的“玻色取樣”速度不僅比國際同行快了至少2.4萬倍，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和第一臺晶體管計算機運行速度快10~100倍。
中國人造出的這臺量子計算機，是人類歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的基于單光子的量子計算機，它為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典計算能力的量子計算這一國際學(xué)術(shù)界稱之為“量子稱霸”的目標(biāo)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
“這次之所以跟早期經(jīng)典計算機‘較量’，是因為我們的量子計算機還是個‘孩子’，所以也要跟‘同齡小孩’比較。”潘建偉坦言，“目前這臺量子計算機跟筆記本電腦的能力比還有很大差距，但量子計算機的發(fā)展就像雨后春筍，最開始幾年才能長1厘米，后面就會‘躥’得很快，現(xiàn)在我們已經(jīng)看到了爆發(fā)式增長的態(tài)勢。”
潘建偉透露，朝著這個目標(biāo)，他們團隊將計劃在今年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，那時的光子量子計算機，將有望達(dá)到與筆記本電腦相抗衡的計算能力。
“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算機的一項技術(shù)，也是國際競爭最為激烈的一個方向。2015年，谷歌、美國宇航局和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。
而中國在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域并沒有先發(fā)優(yōu)勢，人才隊伍也較為匱乏，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。谷歌那么大一個團隊，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。”
潘建偉感到，要在這個領(lǐng)域彎道超車，必須要搞協(xié)同創(chuàng)新，把全國的優(yōu)勢力量集中起來。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)，終于打破了美國人保持的紀(jì)錄。
朱曉波、王浩華、陸朝陽和潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過高精度脈沖控制和全局糾纏操作，成功實現(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)。
隨后，研究團隊用這個超導(dǎo)量子線路演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計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《物理評論快報》雜志接收。
“與超級計算機相比，超導(dǎo)量子計算機的耗能非常少，基本上最普通的實驗室就能夠滿足需求。”朱曉波說，目前團隊正在致力于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。他們希望，到2020年左右能夠達(dá)到50個超導(dǎo)量子比特的水平，進而實現(xiàn)真正的“量子稱霸”。
正如古代發(fā)明算盤的人不會想到今天的計算機一樣，潘建偉承認(rèn)，就連他也難以預(yù)料未來量子計算機的巨大能量。但“人類對計算能力的追求永無止境”，潘建偉和他的團隊，也會繼續(xù)朝著這個令人激動的未來，不斷前行。