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量子计算机,不再是科幻梦想
日期:2017-09-02 作者:许琦敏 来源:文汇报
  • 图片说明: 单光子光开关 超低损耗光量子线路 单光子探测器 单光子源 时间数字转换器


  • 图片说明: 超导量子计算机路线图 第四代10比特样品首次实现10比特纠缠 第三代4比特样品线性方程组求解 第五代20比特 第二代3比特样品寿命提高到20微秒 第一代3比特样品 寿命5微秒


  • 图片说明: ■ 直筒底部的温度接近绝对零度,而超导量子处理器的芯片就放置在这里。


  • 图片说明: 量子处理器 芯片 ■ 上图为世界上纠缠数目最多 (10个) 的超导量子比特处理器。


  • 图片说明: 潘建伟在新闻发布会上介绍量子计算机的最新研究进展。 (本报记者谢震霖 摄)


  • 图片说明: 光控半导体量子点 基于单光子的量子计算机原型机结构


  • ■本报首席记者 许琦敏

      量子计算机已经可以超越早期经典计算机了!

      5月3日,中国科学院量子信息和量子科技创新研究院在上海宣布了这台计算机的诞生。

      近日,由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等联合浙江大学王浩华教授研究组,在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了两项重大突破性进展,为量子计算时代的到来,奠定了坚实的技术基础。

      这两项技术,一项是构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机,此原型机的“玻色取样”速度不仅比之前国际同行类似的所有实验快24000倍,同时通过和经典算法相比,也比人类历史上第一台电子管计算机 (EN|AC) 和第一台晶体管计算机 (TRAD|C) 运行速度快10-100倍。《自然·光子学》 审稿人在评价这项成果时表示:“中国科学家研制出的这台量子计算机,可以说是量子计算领域的埃尼阿克 (EN|AC)”。

      另一项是在研制量子计算机的超导体系中,中国科学家自主研发出10比特超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠。

      世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机

      ■取读速度比国际同行类似的所有实验快至少24000倍。

      ■比人类历史上第一台电子管计算机 (EN|AC) 和第一台晶体管计算机 (TRAD|C)运行速度快10-100倍。

      ■2015年,谷歌、美国航空航天局和加州圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。这个记录现在被中国科学家团队打破。

      ■我国自主研发的10比特超导量子线路样品,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠。研究团队现正在致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试,计划于今年年底前发布量子云计算平台。

      量子叠加打开计算能力想象空间

      量子有一种特性,决定着它超快的计算能力,这种特性就是“量子叠加”。这是量子世界与经典世界的根本区别。

      

      一个经典比特 (如由几百万个电子组成的高电平和低电平状态) 每次只能处于“开”或“关”两种状态中的一个,而一个量子状态可以同时处于“开”或“关”两种状态。当可操纵的量子数量增多,其计算能力就会呈指数级上升。

      指数级上升的威力有多大? 有个棋盘麦粒的经典故事很能说明问题。

      在印度有一个古老的传说:舍罕王打算奖赏国际象棋的发明人———宰相西萨?班?达依尔。国王问他想要什么,他对国王说:“陛下,请您在这张棋盘的第一个小格里,赏给我1粒麦子,在第二个小格里给2粒,第三小格给4粒,以后每一小格都比前一小格加1倍。请您把这样摆满棋盘上所有的64格的麦粒,都赏给您的仆人吧!”国王觉得这要求太容易满足了,就命令给他这些麦粒。当人们把一袋一袋的麦子搬来开始计数时,国王才发现:就是把全印度甚至全世界的麦粒全拿来,也满足不了那位宰相的要求———如果1秒钟数2颗麦粒,要花费上亿年才能数完。

      中科大教授潘建伟院士说,同样的道理,随着N不断地变大,量子计算机的计算能力也将呈现指数级的增长,一些经典计算机无法解决的大规模计算难题将“迎刃而解”。他以大数因数分解为例,经典计算机分解300位的大数需要15万年,万亿次量子计算机分解这个大数,则仅需1秒钟。

      他又打了个形象的比方,目前我们常用的经典计算机就好比一个拥有双手的人,一个时间段只能做一件事情;而量子并行计算相当于拥有2的N次方双手,同时来做事,其效率自然就会急剧提高。经典计算机做不了的事情,它也可以胜任有余。比如,在公共安全领域,量子计算可以通过瞬间处理监控数据库中60亿人次的脸部图片来锁定一个人的身份;在公共交通领域,量子计算能够迅速对复杂的交通状况进行分析预判,从而实现综合调度,避免交通拥堵等状况。

      量子计算机中的埃尼阿克

      未来十年之内,科学界很有可能做到100量子比特的操纵,届时,其计算能力可能比目前最强大的超级计算机还要快百亿亿倍。将来若能做到1000个量子以上,或许可以催生出强大到无法想象的人工智能。

      这台神奇的光量子计算机究竟长什么样? 记者日前来到位于浦东秀浦路99号的中国科学技术大学上海研究院固态量子光学实验室探秘。

      在这间不大的实验室里,记者看到了光量子计算机———仅量子处理器就占据了约3平方米的实验台,看起来与小巧的台式机、手机完全无法比拟。这还不包括一台为它输送光子、需要维持零下269℃低温的单光子发生器。

      这是一台可以产生世界最高品质光子的光子发生器。实验室负责人、中科大教授陆朝阳介绍,这台由团队自主研发的机器可以产生大量一模一样的高品质光子,“连上帝都无法区分出它们之间的不同”。这样它们才能在量子处理器中形成干涉和纠缠,并且噪声很小———只有在噪声尽量小的“纯净世界”里,才能实现更多数量的粒子纠缠。

      实验台上,上百个大大小小的元器件看似杂乱无序地排列着,它们却构成了光量子计算机的核心———光量子处理器。当单光子发生器产生的光子通过线路输送到这里,它就可以进行量子计算。目前,这里实现的是基于5个单光子特定任务的量子计算。潘建伟说,尽管现在的量子计算机很稚嫩,但它会很快显示出强大的本领———处理电子计算机无法解决的问题。

      科学家设计了很多经典计算机难以处理的计算“游戏”,用来测试量子计算机的性能。比如玻色取样、分子光谱求解、线性网络等等。这次由中科大等联合研究团队宣布的光量子计算机,就在玻色取样问题上,有着出色的表现。

      陆朝阳告诉记者,他们接下来的目标是在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵,并致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试。那时,量子计算机的计算速度将接近目前最好的商用中央处理器。到2020年,希望能够达到50个左右量子比特的操纵,届时有可能在处理某些问题上超越超级计算机。

      潘建伟说,未来十年之内,科学界很有可能做到100量子比特的操纵,届时,其计算能力可能比目前最强大的超级计算机还要快百亿亿倍。如果将来能够做到1000个量子以上,科学家也许就可以研究意识是怎么产生的,或许能催生强大到无法想象的人工智能。

      正如古代发明算盘的人不会想到今天的计算机一样,未来量子计算机究竟能带来何种改变,现在还真是难以预测,只有拭目以待。

      超越美国的超导量子处理器

      当前量子计算技术发展较为重要的三支脉络分别是光子、超冷原子和超导。在潘建伟教授的带领下,这三条路线在中科院量子信息和量子科技创新研究院都有发展。

      在另一个实验室,记者看到了这次宣布实现10个量子比特纠缠的超导量子处理器:一个高约2米的银白色直筒“浮”在半空 (见右图)。该项目负责人之一朱晓波教授说,直筒底部的温度接近绝对零度,而超导量子处理器的芯片就安放其中。

      这次,研究团队打破了之前由谷歌、NASA (美国航空航天局) 和UCSB (加州大学圣塔芭芭拉分校) 公开报道的9个超导量子比特的操纵,实现了目前世界上最大数目 (10个)超导量子比特的纠缠,并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。

      “这标志着我国在超导量子比特集成系统的制备、测量等方面达到世界先进水平。”朱晓波说,由于超导状态下,芯片的功耗非常小,主要耗能用在维持超导的低温装置上,因此,未来芯片能力的提升几乎不用考虑能耗问题,相比于现在耗电量惊人的超级计算机,这也是量子计算机的一大优势。

      潘建伟还补充说,2016年10月,中国科学技术大学与北京大学研究者组成的联合团队在超冷原子量子模拟领域,也取得了重大突破。

      把握量子时代的历史机遇

      在量子计算机的新闻发布会上,中科院院士潘建伟教授用非常确定的语气,说出了一串时间表:

      这次发布的光量子计算机,科学家实现了对10个光子的操纵,其计算能力超越了早期经典计算机。而今年年底,当科学家可以操纵20个粒子时,这个“初生婴儿”的计算能力将堪比现在的手提电脑;到2020年,可操纵粒子数达到50个时,它在特定问题的处理能力上,将可超过超级计算机。十年之后,当科学家能操纵100个粒子时,只要造出一台量子计算机,人类就可能拥有百万倍于现在的计算能力!

      毋庸置疑,人类进入量子计算时代的脚步已在加速。然而,中国要面对的更严肃的问题是:当我们终于握有核心技术,站在即将到来的新时代门槛上时,如何不再错过这一划时代的历史机遇。

      量子纠缠是量子计算机的基础,科学家可以操纵的纠缠粒子的数量,决定了量子计算的发展程度。潘建伟说,操控量子纠缠数量的能力曲线已开始进入爆发期。未来十年,量子计算机的发展将如雨后春笋一般,而中国科学家在这一领域占据了一定的优势。

      目前,全球发展量子计算机的技术路线有七八种,IBM和谷歌致力于发展超导量子纠缠的技术,英特尔在做硅基的量子器件,而微软则试图发展拓扑技术路线……未来的量子时代,一定会是“群雄逐鹿”。

      由于历史原因,当“地球村”进入电子时代、信息时代时,我们都错失了发展核心技术的机会。如今,中国科学家在量子时代的科学竞争中,已保持了多年的优势。从2001年实现4光子纠缠起,潘建伟团队就在世界上保持领先优势。去年,量子科学实验卫星上天、量子通信京沪干线开通,都在不断推动量子信息技术的实用化。

      “量子计算正面临非常激烈的国际竞争,国家应该到了发力的时候。”潘建伟说,2013年我国就将量子信息技术纳入国家重大科技专项,但决策慎重,往往启动就会显得迟缓,“这些年,我们依靠中科院先导专项、与阿里巴巴成立联合实验室等所获得的经费支持,还维持着世界领先的地位。但当各国政府、企业一起发力,我们的优势就很难保持。”

      从事超导量子芯片研发的浙江大学教授王浩华说,现在国外已经在相关电子设备上,对我国实行禁运。他们实验需要一台低温放大器,一直买不到,只好靠自 己研发,才完成了10光子纠缠的超导处理器。

      更严峻的问题在于人才。以超导量子技术为例,在中国,从事这方面的学者只有三四人,而谷歌一个实验室里就有十几人。而且,各国对于量子信息技术的人才都在大力吸纳。潘建伟说,如果单兵作战,中国任何一条技术路线的研发团队,都很容易被国外卡死。他希望,在未来的量子计算发展中,可以联合全国的力量,协同创新,结合建设国家实验室,共同建造出我国的100光子量子计算机。

      (本版图片除署名外,均由中国科学院提供。)



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