不亞于核武器的制造，世界首臺量子計算機(jī)中國誕生！中國雄起

　　5月3日，世界第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)問世，這個“世界首臺”是貨真價實的“中國造”，屬中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組攻關(guān)突破的成果。

　　那么，量子計算又是什么？相對于現(xiàn)在使用的經(jīng)典計算機(jī)，又有什么優(yōu)勢呢？本次發(fā)布的量子模擬機(jī)性能究竟怎么樣呢？

　　量子計算靠的是“疊加”和“糾纏”

　　量子計算是一種基于量子效應(yīng)的新型計算方式，它通過大量量子位的受控演化來完成計算任務(wù)。

　　量子計算機(jī)原理

　　所謂的量子位是一個具有兩個量子態(tài)的物理系統(tǒng)，一般在量子信息學(xué)中，量子是最小的不可分割的能量單位，基本單位就是量子位，或者叫做量子比特。而量子態(tài)呢，就是電子做穩(wěn)恒的運動，具有完全確定的能量。

　　量子疊加

　　1個量子位同時有0和1兩個狀態(tài)，相應(yīng)的N個量子位可同時存儲2的N次方個數(shù)據(jù)。所以，量子計算機(jī)操作一次的效果就等于同于普通電子計算機(jī)進(jìn)行2的N次方次操作的效果，再直白點，就是量子計算能一次完成2的N次方個數(shù)據(jù)的并行處理，這樣計算速度完全秒殺傳統(tǒng)計算機(jī)。

　　量子糾纏

　　還有一個名詞你要了解——量子糾纏，處于糾纏態(tài)的兩個粒子有一個奇妙特性，一旦對其中一個粒子進(jìn)行測量確定了它的狀態(tài)，那么就立即知道另一個粒子所處的狀態(tài)。即使相距遙遠(yuǎn)距離，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態(tài)，愛因斯坦把這稱之為“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用”。

　　因此，當(dāng)量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化時，糾纏態(tài)的粒子狀態(tài)都可以發(fā)生變化。量子計算就是利用了量子疊加和量子糾纏的特點實現(xiàn)了高超的并行計算能力。

　　超導(dǎo)量子計算機(jī)

　　高性能計算領(lǐng)域的“小公舉”

　　舉個例子，“天河二號”超級計算機(jī)要是求解一個億億億變量的方程組，要耗上100年。而使用一臺萬億次的量子計算機(jī)求解同一個方程組，僅需0.01秒。

　　如果是求一個300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，目前的超算估計用十幾萬年的時間來完成，而量子計算機(jī)原則上可以在很短的時間內(nèi)完成。因此，量子計算在核爆模擬、密碼破譯、材料和微納制造等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢，是新概念高性能計算領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢。

　　世界首臺光量子計算機(jī)，到底牛在哪？

　　那么，5月3日在上海亮相的世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)，又牛在哪呢？

　　中科院研制的光量子計算原型機(jī)結(jié)構(gòu)圖

　　計算能力超越早期經(jīng)典計算機(jī)

　　想要判斷量子計算到底牛不牛、牛在哪，學(xué)術(shù)界有三個達(dá)成共識的指標(biāo)性節(jié)點：計算能力超越早期經(jīng)典計算機(jī)是第一步，再是超越商用CPU，最后是超越超級計算機(jī)。

　　上述我們提到的這臺光量子計算機(jī)，已經(jīng)比人類歷史上第一臺電子管計算機(jī)和第一臺晶體管計算機(jī)運行速度快10倍至100倍。

　　本次發(fā)布會上公開的兩個量子計算原型機(jī)，一種基于低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，一種基于線性光學(xué)。超導(dǎo)系統(tǒng)那一臺原型機(jī)是用來做線性方程組求解的，這臺原型機(jī)實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目——10個超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。

　　基于超導(dǎo)量子處理器的線性方程解法演示

　　基于線性光學(xué)的原型機(jī)是用來做“玻色取樣”的。實驗測試表明，該原型機(jī)的取樣速度比國際同行類似的實驗加快了至少24000倍。

　　如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計算機(jī)的速度是自行車，量子計算機(jī)的速度就好比飛機(jī)。

　　10個量子比特的糾纏是個什么概念？

　　兩個量子計算原型機(jī)都有10個量子比特的糾纏，這是一個什么概念？前面我們提到，量子計算需要利用大量互相糾纏的量子比特才能實現(xiàn)。而多粒子糾纏的操縱也一直是量子計算的技術(shù)制高點，一直是國際角逐的焦點。

　　2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。顯然，這個記錄已經(jīng)被中國科學(xué)家團(tuán)隊首次打破。

　　十超導(dǎo)量子比特的糾纏態(tài)

　　這種量子計算專用機(jī)運行一次，就相當(dāng)于做一次超高難度的物理實驗，能夠制造并使用這種量子計算專用機(jī)需要非常高的操作水平。中國的研究團(tuán)隊還計劃在2017年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操作。

　　量子計算機(jī)的“心臟”研制到底有多難？

　　正如在電子計算機(jī)中CPU扮演了關(guān)鍵的角色，在量子計算機(jī)研制中，量子芯片同樣是“心臟”，至關(guān)重要。

　　量子計算機(jī)處理器

　　如果將來的量子計算機(jī)要超越現(xiàn)有電子計算水平，需要多于1000個量子比特構(gòu)成的芯片。但這種規(guī)模的量子比特構(gòu)成的芯片目前的技術(shù)還做不到。

　　而且單純有數(shù)量足夠多的量子比特還是不行的，因為量子比特并不穩(wěn)定。量子技術(shù)需要利用量子相干性才可以做計算，彼此有關(guān)的量子比特串列，會作為一個整體動作，只要對一個量子比特進(jìn)行處理，影響就會立即傳送到串列中多余的量子比特。但是，每個量子比特都非常脆弱，很容易被環(huán)境干擾，使量子的相干性喪失，而且干擾的速度隨著體系的擴(kuò)大而呈指數(shù)增加，量子比特越多，干擾的速度也越快。

　　中國科學(xué)院量子計算實驗室 資料圖

　　這時候就必須采用糾錯碼技術(shù)，鑒定噪聲的可能狀態(tài)，在假定了噪聲特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建糾錯碼系統(tǒng)，構(gòu)建糾錯容錯的理論體系。比如通過糾錯碼過程對數(shù)個物理比特做冗余，最后生成了一個邏輯比特，邏輯比特有很好的容錯特性，可以糾正干擾引起的所有錯誤。

　　如果能夠達(dá)到容錯預(yù)值，在外界噪聲低到一定水平，操作達(dá)到一定精度之時，就可以滿足容錯計算。那這個精度要多高呢？以杜江峰院士研究組的研究成功為例，在傳統(tǒng)的糾錯碼下量子邏輯門精度達(dá)到了99.99%，其單比特門精度已經(jīng)滿足容錯計算的需求。

　　總而言之，要想研制超越現(xiàn)有電子計算機(jī)的量子計算機(jī)，首先要有滿足容錯計算的需求的邏輯比特，然后進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，實現(xiàn)數(shù)十個、上百個邏輯比特，而且都達(dá)到滿足容錯計算的精度，這樣就可以得道性能出色的量子芯片，然后在結(jié)合控制系統(tǒng)、測量裝置等硬件和編程、算法等軟件制造出量子計算機(jī)。

　　其意義不亞于核武器

　　那么，量子計算機(jī)主要有哪些應(yīng)用前景，又和我們的生活有什么相關(guān)呢？

　　包括量子計算機(jī)在內(nèi)的量子技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景，量子隱形通信系統(tǒng)將建立在各類作戰(zhàn)指揮控制體系之間和各種偵察預(yù)警系統(tǒng)、主要作戰(zhàn)平臺以及空間武器系統(tǒng)之中，從而構(gòu)建出量子信息化戰(zhàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未來的信息化戰(zhàn)爭中扮演無可替代的角色。甚至有人認(rèn)為，量子計算的意義不亞于核武器……

　　在醫(yī)學(xué)檢測、藥物設(shè)計、基因分析、各種導(dǎo)航等方面它也將起到巨大的作用，會給我們的生活帶來極大的改變。比如天氣預(yù)測，量子計算機(jī)可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準(zhǔn)地顯示惡劣天氣會在何時何地出現(xiàn)，就像這兩天北京的沙塵暴，可以做到提前預(yù)防?！拔覀儸F(xiàn)在的天氣預(yù)報只能預(yù)報幾天，因為如果要預(yù)報第六天、第七天，計算的時間可能需要100天，而100天后再來預(yù)測第六七天的天氣就沒什么意義了”，潘建偉說。

　　5月4日北京的沙塵天氣

　　結(jié)語

　　“量子計算機(jī)是一項顛覆性的技術(shù)，一旦成功研發(fā)，就可以破解現(xiàn)在所有的密碼，另外它還可以解決大數(shù)據(jù)等等問題。” 中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦曾說。

　　雖然，目前的技術(shù)成果距離真正建成性能優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)典計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)來說依舊有一定難度。但在量子計算方面，中國的多項成果都已打破世界記錄，我們也期待超過經(jīng)典電子計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)量子計算機(jī)能夠早日問世。