中国量子计算机:超越经典 朝梦前行

文章来源:  |  发布时间:2017-05-04  |  【打印】 【关闭

  
 

  

  

                                     中国科学技术大学教授朱晓波正在展示超导量子比特处理器的芯片。

当前,量子计算机的概念十分火热。无数好莱坞大片、科幻小说中,都提到了这项“酷炫到爆炸”的科技。

鉴于其强大功能,量子计算机的研发也成为全球顶尖科研机构的“兵家必争之地”。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,中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学教授王浩华研究组,在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列突破性进展。

在光学体系,中国构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机;在超导体系,中国团队实现了目前世界上最大数目(十个)超导量子比特的纠缠,系列成果发表于国际权威学术期刊《自然光子学》和《物理评论快报》上。

用潘建伟的话说:“未来量子计算的能力可能超越人类想象。而现在,中国已经迎来了自己的‘相变点’。”

  “秒杀”超级计算机 

量子计算利用量子相干叠加原理,在原理上具有超快的并行计算和模拟能力,计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。

比如,有一个特别大的数字,人们想知道它是由哪两个数字相乘得到的。这类“大数分解”问题,如果利用万亿次经典计算机分解一个300位的大数,需要150000年;而利用万亿次量子计算机,则只需一秒钟。

同样,求解一个亿亿亿变量的方程组,利用目前最快的超级计算机需要100年,而利用万亿次量子计算机,则只需要0.01秒。

“一台操纵50个微观粒子的量子计算机,对特定问题的处理能力就可以超过超级计算机。因此,量子计算机在密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等需要解决大规模计算难题的领域有巨大优势。”潘建伟说。

由于量子计算的巨大潜在价值,欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源,开展协同攻关,同时,大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也强势介入量子计算研究。

  “传统项目”超越经典 

当前,国际学术界在基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术发展上总体较为领先。中国科研团队在这三个领域均有涉猎。

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的核心资源,一直是国际角逐的焦点。在光子体系,潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平,并于2016年底把纪录刷新至十光子纠缠,这一领域,可以说是中国的“传统强项”。

在此基础上,团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源,通过调控可编程的光量子线路,构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。

中科大教授陆朝阳说,研发量子计算机的目的就是解决传统计算机难以解决的问题,“玻色取样”这个题目,经典计算机计算起来难度就很大。

实验测试表明,该量子计算原型机的“玻色取样”速度不仅比国际同行类似的之前所有实验加快至少24000倍,同时,通过和经典算法比较,也比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10~100倍。

中国人造出的这台量子计算机,是人类历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子计算机,它为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。

“这次之所以跟早期经典计算机‘较量’,是因为我们的量子计算机还是个‘孩子’,所以也要跟‘同龄小孩’比较。”潘建伟坦言,“目前这台量子计算机跟笔记本电脑的能力还有很大差距,但量子计算机的发展就像雨后春笋,最开始几年才能长一厘米,后面就会‘窜’得很快,现在我们已经看到了爆发式增长的态势。”

潘建伟透露,朝着这个目标,他们团队将计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵,那时的光子量子计算机,将有望达到与笔记本电脑相抗衡的计算能力。

  “这么重要的方向,我们决不能漏掉” 

由于其可集成性、消相干性等表现非常好,超导量子被很多人认为是最有希望研制性能可拓展的量子计算机的一项技术,也是国际竞争最为激烈的一个方向。2015年,谷歌、美国航天航空局和加州大学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。

而中国在超导量子计算领域并没有先发优势,人才队伍也较为匮乏,这一现状,让潘建伟十分焦虑。

“如果我们还是像以前一样各干各的,很难做出好的成果。谷歌那么大一个团队,很容易就把我们的年轻苗子给‘捏死’了。这么重要的方向,我们决不能漏掉。”

潘建伟感到,要在这个领域弯道超车,必须要搞协同创新,把全国的优势力量集中起来。于是,他所在的中科大联合了浙江大学、中科院物理研究所等单位进行合作攻关,大家都拿出了自己的看家本领,终于打破了美国人保持的记录。

中国科大教授朱晓波、浙江大学教授王浩华和陆朝阳、潘建伟等合作,自主研发了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,并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。

随后,研究团队用这个超导量子线路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加速求解线性方程组的可行性,这一成果已经被《物理评论快报》杂志接收。

“与超级计算机相比,超导量子计算机的耗能非常少,基本上最普通的实验室就能够满足需求。”朱晓波说,目前团队正在致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试,并计划于今年年底前发布量子云计算平台。他们希望,到2020年左右能够达到50个超导量子比特的水平,进而实现真正的“量子称霸”。

正如古代发明算盘的人不会想到今天的计算机一样,潘建伟承认,就连他也难以预料未来量子计算机的巨大能量。但“人类对计算能力的追求永无止境”,潘建伟和他的团队,也会继续朝着这个令人激动的未来,不断前行。