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中国科学家构建世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机

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3日,科研人员在中科院量子信息和量子科技创新研究院上海实验室内调整操作台上的激光干扰器。新华社记者 方 喆摄

日前,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳教授、朱晓波教授等,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系列突破性进展。3日,该研究团队正式发布了这一系列研究成果。

潘建伟在现场宣布,在光学体系,研究团队在去年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。

在超导体系,研究团队打破了之前由谷歌、NASA(美国国家航空航天局)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。

系列成果已发表在国际权威学术期刊《自然光子学》,即将发表在《物理评论快报》上。

传统电子计算机要算15万年的难题,量子计算机只需1秒

1981年,美国物理学家费曼指出,由于量子系统具有天然的并行处理能力,用它所实现的计算机很可能会远远超越经典计算机。1994年,麻省理工学院的Peter Shor教授提出分解大质因数的高效量子算法,量子计算引发了世界各国的强烈兴趣。

“由于量子比特是0和1的叠加态,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。这一特点使得量子计算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。”潘建伟说,“比如,300位10进制那么长数,用我们目前万亿次的传统电子计算机拿来算的话,大概需要算15万年。但如果能够造出一台量子计算机,它计算的频率也是万亿次的话,只需要1秒钟就可以算完。从这个角度上讲,量子的并行计算能力是非常强大的。”

此外,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可超过超级计算机。

那哪些算特定问题呢?

朱晓波说:“比如说大数字分解,这个是用于现在加密的一个标准的算法。那么你如果能解一个大数字分解,就能解密现在很多的加密算法。如果很多加密算法都失效了,国家金融安全、军事安全等都会受到严重影响。还有,量子计算机做到一定规模之后,很有可能实现大数据的快速搜索,以后在解决搜索问题的时候就具有巨大的优势。”

据专家介绍,根据各物理体系内在优势及其在实现多粒子相干操纵和纠缠方面的发展现状和潜力,目前,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。

研究仍处早期,我国计划在年底实现大约20个光量子比特的操纵

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。在此基础上,团队此次利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源,通过电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。

潘建伟说:“实验测试表明,该原型机的‘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2.4万倍,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(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10—100倍。”

这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机,为最终实现超越经典超级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。

“量子计算领域有几个大家共同努力的指标性节点:第一,展示超越首台电子计算机的计算能力;第二,展示超越商用CPU的计算能力;第三,展示超越超级计算机的计算能力。我们实现的只是其中的第一步,也是一小步,但是是重要的一步。”潘建伟说。

“朝着这个目标,我们研究团队将计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵,将接近目前最好的商用CPU。”陆朝阳说。

但由于高精度量子操控技术的极端复杂性,目前量子计算研究仍处于早期发展阶段。“像经典计算机那样具有通用功能的量子计算机最终能否研制成功,对整个科学界还是个未知数。”潘建伟说。

在信息安全、医学检测、导航等方面,量子技术未来将极大地改变生活

随着大数据时代的到来,对计算能力的需求可以用一个词来形容,就叫做“贪得无厌”。同时,计算能力的强弱也对社会的发展起着至关重要的作用。当人们能够把数据里面有效的数据结果都通过计算给提取出来的话,每一个数据才会成为真正的财富。

谈到量子计算机未来的应用前景,潘建伟充满信心:“我认为量子技术领域目前主要有几个方面离实用非常近:量子通信主要是用在保密方面,它可以大大提高信息安全水平。除此之外,量子计算可能很快在某些特定计算方面超越目前传统的超级计算。这些技术在医学检测、药物设计、基因分析、各种导航等方面也将起到巨大的作用,会给我们的生活带来极大的改变。比如,我们现在的天气预报只能预报几天,因为如果要预报第六天、第七天,计算的时间可能需要100天,而100天后再来预测第六七天的天气就没什么意义了。”

据潘建伟介绍,在我国即将启动的量子通信和量子计算机的重大项目里,对光、超导、超冷原子等方向上都已经做了相应的布局。

“在以后的10到15年里,量子技术领域的竞争将是非常激烈的。比如英国启动了国家量子技术专项、欧盟启动了量子旗舰专项、美国在论证相应的计划。包括谷歌、IBM、微软等在内的一些美国公司也都介入到相关研发了。”潘建伟说。

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