5月3日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉在上海宣布，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建光量子計(jì)算機(jī)，首次演示了超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算能力。
據(jù)潘建偉介紹，這次實(shí)驗(yàn)最重要的是實(shí)現(xiàn)了兩大突破：首先，這是由中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)完成的世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)；其次，這也是世界上糾纏數(shù)目最多（10個(gè)）的超導(dǎo)量子比特處理器。
這兩大突破背后有何意義？量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有何不同？以及，在量子計(jì)算領(lǐng)域，中國(guó)與其他國(guó)家相比實(shí)力如何？在當(dāng)天的新聞發(fā)布會(huì)上，潘建偉教授用15張PPT作了解釋。澎湃新聞獲得授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)。
在理解量子計(jì)算機(jī)之前，我們首先需要知道什么是量子糾纏和量子疊加原理。按照經(jīng)典計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)原理，科學(xué)家們?cè)趥鹘y(tǒng)芯片的晶體管中，用0和1的二進(jìn)制來(lái)表示信息。但在量子力學(xué)的世界里，依據(jù)量子的物理性質(zhì)，它能夠呈現(xiàn)疊加狀態(tài)，能同時(shí)表示0和1。處于疊加態(tài)的量子比特能以一種叫做量子糾纏的現(xiàn)象相互聯(lián)系，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)量子比特的行為能瞬間影響到另一個(gè)量子比特。
依據(jù)量子比特的特殊性，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼最早提出了量子計(jì)算機(jī)。按照他當(dāng)時(shí)的設(shè)想，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象，運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少。量子計(jì)算機(jī)的概念從此誕生。
費(fèi)曼對(duì)量子計(jì)算機(jī)概念的闡述還有個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景描述：你被要求5分鐘內(nèi)在國(guó)會(huì)圖書(shū)館某一本書(shū)的某頁(yè)上找到一個(gè)大寫(xiě)字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)槟抢镉?000萬(wàn)冊(cè)書(shū)。但是如果你處于5000萬(wàn)個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書(shū)籍，那么你肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就像是前一種情形中瘋子般的那個(gè)你，需要在5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書(shū)。而量子計(jì)算機(jī)卻能復(fù)制出5000萬(wàn)個(gè)你，每個(gè)只需翻找一本書(shū)即可。
正是因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)有如此“神奇”的作用，除了中國(guó)在該領(lǐng)域有研究投入外，美國(guó)和歐洲的政府部門(mén)、大型科技公司和前沿實(shí)驗(yàn)室都對(duì)量子計(jì)算產(chǎn)生了極大的興趣。
谷歌、IBM和微軟等公司都已發(fā)布各自的量子計(jì)算機(jī)研究計(jì)劃。毫無(wú)疑問(wèn)，目前谷歌仍是量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。此前，谷歌曾宣布將在今年推出49 量子比特的量子計(jì)算機(jī)。
潘建偉團(tuán)隊(duì)的此次實(shí)驗(yàn)，使得中國(guó)的超導(dǎo)體系量子計(jì)算機(jī)研究，進(jìn)入世界一流水平行列。首先，這次的光量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)的取樣速度比國(guó)際同行類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)加快至少24000倍；通過(guò)和經(jīng)典算法比較，這也比人類(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倍至100倍。
另外，這次研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過(guò)發(fā)展全局糾纏操作，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測(cè)量。更進(jìn)一步的是，研究團(tuán)隊(duì)利用超導(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。
10個(gè)比特超導(dǎo)線路，也讓該團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)體系打破了之前由谷歌、美國(guó)航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校創(chuàng)下的9個(gè)超導(dǎo)量子比特的操縱記錄。
2016年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首次成功實(shí)現(xiàn)“十光子糾纏”。多粒子糾纏操縱作為量子信息處理基本能力的核心指標(biāo)，近年來(lái)一直是國(guó)際學(xué)界角逐的焦點(diǎn)。操縱的糾纏光子數(shù)目越多，量子信息處理能力就會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)，但同時(shí)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的難度也急劇增加。
經(jīng)過(guò)努力，潘建偉教授及其同事陸朝陽(yáng)、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，把比特?cái)?shù)目擴(kuò)展到10個(gè)，并制備了10比特的糾纏GHZ態(tài)，保真度大于66%，據(jù)介紹，在目前公開(kāi)的結(jié)果中，這是超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)中糾纏的數(shù)目最多的。
從最初的3比特，到5比特，到6比特，再到如今的10比特，潘建偉說(shuō)，此次測(cè)試的成功標(biāo)志著中國(guó)在超導(dǎo)量子比特集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制備、控制與測(cè)量等各方面都打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)計(jì)劃，潘建偉的研究團(tuán)隊(duì)將在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，20個(gè)超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測(cè)試，量子計(jì)算機(jī)的速度將會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)。