量子计算“称霸”在望——记世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在中

本篇文章2925字，读完约7分钟

世界上第一台超越早期经典计算机的光学量子计算机在中国诞生了。中国科学院量子信息与量子科技创新研究所5月3日在上海发布的消息震惊了世界。

这是哪种电脑？能够“杀死”现有计算机的传奇量子计算机何时会成为现实？请看《经济日报》记者从上海发回的报道。

中国量子:奠定“量子霸权”的基础

什么是量子计算机？当一个物理设备运行、存储和处理量子信息并运行量子算法时，它就是一台量子计算机。

量子计算机是一个国际研究热点，世界各地的科学家为它设计了多种技术实现途径。其中，基于光子、超冷原子和超导电路的量子计算技术的发展在国际学术界处于领先地位。也就是说，发展最快的量子计算机有三种:光学量子计算机、超冷原子量子计算机和超导量子计算机。

中国科学家5月3日发表的量子计算机成果实际上有两个，分别属于光学量子计算机和超导量子计算机。

在光量子计算机领域，由中国科技大学潘建伟院士和卢朝阳教授领导的团队已经开发了一个控制五个粒子(即五个光量子比特)的光量子计算原型。当完成“玻色采样”任务时，它的速度不仅快于国际同行之前所有类似实验的最高记录。同时，与经典算法相比，它也是人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机。

玻色采样是一种计算复杂度随着粒子数的增加呈指数增长的数学问题，特别适合量子计算机计算。

“与我们超越早期经典计算机的量子计算原型相比，之前报道的类似量子计算机只是游戏控制台，无法实际使用。”潘剑伟说道。

5月2日，研究结果以一篇长文章的形式发表在《自然光子学》的网上。评论者评论说，中国科学家“制造了第一代量子计算机，即量子计算机中的ENIAC”(ENIAC是人类历史上第一台电子管计算机)。

在国际学术界，量子计算机的计算能力超过了现有经典超级计算机的目标，被称为“量子霸权”。中国的光学量子计算机是人类历史上第一台超越早期经典计算机的光学量子模拟器，为人类最终实现“量子霸权”的目标奠定了坚实的基础。

在玻色采样任务中，最快的超级计算机可以处理大约45个粒子。“我们计划在今年年底前实现对大约20个光学量子位的操纵，玻色采样问题的计算能力将超过现有最好的商用cpu电子计算机。”潘剑伟说道。

在超导量子计算机领域，中国科学家也取得了重大突破。

在超导系统方面，2015年，谷歌、美国航空公司空 NASA和加州大学圣巴巴拉分校宣布了对九个超导量子位的高精度操控。这一记录是中国科学家在2017年首次打破的。中国科技大学教授朱晓波、浙江大学教授王浩华与卢朝扬、潘剑伟合作，自主研发了10位超导量子电路样品，成功实现了世界上数量最多的超导量子比特的多体纯纠缠，并通过层析测量完整表征了10位量子态。

“简单地说，我们制作了10个量子超导量子计算机cpu芯片，并用它演示了求解线性方程组的量子算法，证明了通过量子计算的并行性来加速求解线性方程组的可行性。”朱晓波告诉记者，相关量子算法的结果已经过审查，并将很快发表在《物理评论快报》上。目前，研究团队正在设计、准备和测试20个超导量子比特样本，并计划在今年年底前发布量子云计算平台。

量子计算:计算机中的“斗士”

如果把传统的电子计算机比作自行车，那么量子计算机就像飞机。为什么量子计算机可以成为计算机领域的“斗士”？这与其计算原理密切相关。

在现有的电子计算机中，一个物理位只能存储一个逻辑状态——0或1。量子计算机利用量子的相干叠加原理，可以在两个逻辑状态0和1下制备相干叠加态。换句话说，量子位可以同时存储0和1。

这是什么意思？这意味着量子计算机的处理能力将随着位数的增加而呈指数增长。量子计算机有n位，所以它可以一次对2的n次方进行数学运算，这相当于经典计算机对2的n次方进行计数。

量子计算的计算能力随着可操纵粒子的数量呈指数增长，这可以为经典计算机无法解决的大规模计算问题提供有效的解决方案。

“分解大量300位数据需要15万年，而使用1万亿台量子计算机只需要1秒钟。”潘建伟预测，到2020年左右，超导量子计算机可以操控50个量子位，进而实现“量子霸权”，在处理一些具体问题上，超越经典计算机中计算能力最强的超级计算机。10年后，量子计算机将能够连贯地操纵100个粒子，然后它处理特定问题的能力可以达到目前最强的超级计算机的数百亿倍，或者目前世界总计算能力的数百万倍。

正是由于量子计算的巨大潜在价值，欧美国家正在积极整合各领域的研究力量和资源，开展合作研究。与此同时，谷歌、微软和ibm等大型高科技公司也积极参与量子计算研究。

中国科学家也参加了竞赛，并取得了显著的成绩，为下一步的发展作出了安排。

潘剑伟介绍说，中国即将推出的人工智能2.0计划中有一个量子人工智能的特殊部分，其技术基础是量子计算机。在此之前，“我们必须首先通过三到五年的努力实现量子霸权，让量子计算机在某些特定问题上超越经典超级计算机。”

展望未来:遇到问题并把它们交给“量子”

在实验室里，卢朝阳带着记者参观了光学量子计算机。

光学量子计算机由三个主要部分组成。第一部分是单光子源。在-269摄氏度的低温下，这种装置通过激光激发量子点，一次产生一个高质量的单光子。它是世界上质量最高、效率最高的单光子源。“目前，我们建造的设备综合性能在世界上是最好的，生产的单光子质量比国际第二名高出10到100倍。”卢朝阳自豪地说道。

第二部分是超低损耗光量子电路。单光子通过开关分成五路，通过光纤引入主设备的光量子网络。

第三部分是单光子探测器，它探测矩阵中的量子计算结果。

作为量子计算的核心资源，多粒子纠缠的操控一直是国际竞争的焦点。在光子系统方面，潘建伟的团队在多光子纠缠领域处于国际领先水平，并在2016年底创下了10光子纠缠的新纪录。在此基础上，该团队利用世界上综合性能最好的自行研制的量子点单光子源，通过电控可编程光量子电路，构建了光量子计算机。

顾名思义，量子计算机需要高精度地控制量子，这需要极低的温度。在三个发展最快的量子计算机系统中，光学量子计算机可以在室温下运行，但是它们必须在零下269摄氏度的低温下产生单光子；超导量子计算机的cpu芯片可以在室温下显示，但它的实际操作必须在接近绝对零度(-273.15摄氏度)的环境中进行；超冷原子量子计算机名不副实，所需的低温是三者中最低的，接近绝对零度。

“量子计算机可以投入实际使用。将来世界上会有很多，但不是每个家庭都需要。”潘建伟说量子计算机可以和现有的经典计算机一起使用。以现有的手机终端为例，手机是一台小型计算机，将其制成低温量子计算机既困难又没有必要。“但是，您可以通过云计算平台将需要完成的计算任务发送到云中，然后让后台的量子计算机完成它。”

潘建伟说，传统计算机可以被认为是好问题，量子计算机不需要干预。量子计算机针对传统计算机无法解决的难题。“例如，玻色采样对经典计算机来说太难了，而量子计算机在这方面特别强大。”。

量子计算机投入实际使用后，它能解决什么实际问题？

密码分析、天气预报、药物设计、金融分析、石油勘探、人工智能、大数据...简而言之，那些需要大量计算的问题应该交给量子计算机！(经济日报中国经济网记者严慧敏)

(编者:梁