量子計算機(jī)控制系統(tǒng)問世

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊宣布，基于對半導(dǎo)體及超導(dǎo)量子比特的長期研究，成功研制出一套精簡、高效的量子計算機(jī)控制系統(tǒng)。這套被命名為本源量子測控一體機(jī)的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對量子芯片的操控并發(fā)揮其性能優(yōu)勢。

盡管到目前為止，全球第一臺能夠?qū)嵱玫牧孔佑嬎銠C(jī)離面世還很遠(yuǎn)，但作為當(dāng)前國際學(xué)界的研究熱點領(lǐng)域，量子計算機(jī)的控制系統(tǒng)是一大技術(shù)難點，不但成本昂貴，而且功能冗余、兼容性和集成度都較差。相較于量子計算機(jī)的控制系統(tǒng)的重要性，目前更重要的目標(biāo)是率先實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。所謂“量子霸權(quán)”是指，當(dāng)量子計算機(jī)發(fā)展到50個比特時，計算能力將超越全球最快的傳統(tǒng)計算機(jī)，實現(xiàn)“稱霸”。

按照國家對量子信息科技在“十三五”期間的統(tǒng)籌安排和整體部署，科技創(chuàng)新2030“量子通信與量子計算機(jī)”重大項目的必要性和可行性都已得到充分論證。中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院也初步統(tǒng)籌了全國高校、科研院所和企業(yè)的創(chuàng)新要素和優(yōu)勢資源，為量子信息科學(xué)國家實驗室的建立奠定了堅實的基礎(chǔ)。

今年7月3日，我國首次實現(xiàn)了18個量子比特糾纏，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其同事陸朝陽、劉乃樂、汪喜林等通過調(diào)控6個光子的偏振、路徑和軌道角動量3個自由度，在國際上首次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。誰先奪取“量子霸權(quán)”，誰就掌握了技術(shù)制高點、標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)和輿論主導(dǎo)權(quán)，在產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)有利地位。在信息時代，量子計算技術(shù)一旦突破，掌握這種能力的國家，會在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域迅速建立全方位優(yōu)勢。

“如果完成三個階段，意味著人類實現(xiàn)了量子計算機(jī)的夢想，這將是人類實現(xiàn)第二次信息革命，全面進(jìn)入量子信息時代的標(biāo)志?！睆埼淖繉Φ谝回斀?jīng)記者表示。目前，全球都仍處于第一階段的競逐中。在美國，從谷歌到IBM，在中國，從阿里巴巴到騰訊，世界頂尖的科技公司都在競相建造出第一臺量子計算機(jī)。2017年11月和2018年3月，IBM和谷歌分別宣稱實現(xiàn)了50個和72個量子位的原型機(jī)。然而兩家公司都沒有宣布實現(xiàn)“量子霸權(quán)”，也沒有公開相關(guān)測試結(jié)果，這意味著在技術(shù)上離實際的“量子霸權(quán)”還有一定的距離。

盡管在量子技術(shù)領(lǐng)域，我國與發(fā)達(dá)國家的差距并非難以彌合，不過發(fā)達(dá)國家擁有長期形成的強(qiáng)大半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)、人才資源儲備、精密儀器設(shè)備制造能力和高效的科技成果轉(zhuǎn)化鏈條，國際巨頭企業(yè)的介入也提供了強(qiáng)大的研發(fā)資金保障。而我國在量子計算研究相關(guān)的公共技術(shù)積累較少，特別是超導(dǎo)微納加工工藝方面，需要積蓄一段時間才能實現(xiàn)超越式發(fā)展。

美國也在積極保持其量子領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。去年10月，美國國會舉辦聽證會，討論如何確保“美國在量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位”。IBM宣布將投入30億美元研發(fā)量子計算等下一代芯片，微軟公司也與多所大學(xué)共建量子實驗室。

近日，美國又重申了應(yīng)在量子領(lǐng)域持續(xù)加強(qiáng)投入。美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)學(xué)院近日發(fā)布報告認(rèn)為，盡管能夠輕松破解當(dāng)前主流加密算法的量子計算機(jī)未來10年內(nèi)都不太可能出現(xiàn)，但美國若想在量子信息技術(shù)領(lǐng)域保持全球領(lǐng)先，還應(yīng)在該領(lǐng)域繼續(xù)投入。量子設(shè)備可以破解用于保護(hù)數(shù)字信息的加密。正如一些科學(xué)家正在研究量子計算機(jī)一樣，另一些科學(xué)家在研究量子安全技術(shù)。這種技術(shù)可以阻止這些未來機(jī)器的密碼破譯的能力。

在瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的量子實驗室里，第一財經(jīng)記者看到研究人員正在使用黃色的激光在量子中繼的實驗。量子中繼能夠讓量子加密的距離得以延伸，雖然并不是量子加密的必要條件。目前量子加密只能在有限的距離內(nèi)工作。日內(nèi)瓦大學(xué)的研究團(tuán)隊最近還得出了一個新的發(fā)現(xiàn)，能夠表明有1600萬個原子被糾纏在了一立方厘米的水晶中。他們使用了一種新的研究方法，當(dāng)光子穿過晶體的時候，會使原子在被重新發(fā)射前陷入糾纏。通過分析其統(tǒng)計特征和重新發(fā)射光子的概率，之后就可以確定1600 萬個糾纏原子的數(shù)量。這種研究方法對于即將到來的量子革命有著里程碑式的意義。

在大西洋彼岸的芝加哥，芝加哥大學(xué)可能是擁有全球最大的量子計算團(tuán)隊的大學(xué)。該校的一個量子研究機(jī)構(gòu)同樣正在探索量子中繼器。芝加哥大學(xué)教授戴維·奧沙洛姆（David Awshalom）表示：“我們還沒有做成，但我相信這將在未來幾年發(fā)生。

而中科大潘建偉院士的研究團(tuán)隊也在進(jìn)行量子存儲的實驗，并獲得了國際上綜合性能最好的結(jié)果。量子存儲是量子中繼的核心部分?！皩崿F(xiàn)量子中繼的難度堪比量子計算機(jī)?！睆埼淖繉Φ谝回斀?jīng)記者表示，“量子中繼不但可以讓遠(yuǎn)距離量子加密變得更加安全，更重要的是，可以為未來的量子計算機(jī)建立量子網(wǎng)絡(luò)?！睋?jù)了解，中科大主要的量子存儲實驗室位于合肥。

同樣確定的是，中國在量子通信加密方面的領(lǐng)先優(yōu)勢也非常明顯。美國橡樹嶺國家實驗室前研究員、量子加密技術(shù)公司Qubitekk總裁兼CEO鄧肯·厄爾（Duncon Earl）表示：“中國把量子研究作為與人工智能等其它尖端技術(shù)一樣的戰(zhàn)略，美國再等就晚了。”

中國已經(jīng)在量子加密傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上投入數(shù)千萬美元資金，2016年8月發(fā)射的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星使用量子加密技術(shù)，成功實現(xiàn)了北京和維也納之間的視頻通話，并且使用衛(wèi)星將量子加密傳輸?shù)木嚯x擴(kuò)大到創(chuàng)記錄的4630英里，而傳統(tǒng)的光纖線路的最大傳輸距離僅150英里。此外，京滬量子通信地面網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)投入使用，建設(shè)總長約為1200英里。

歐洲知名量子技術(shù)專家、日內(nèi)瓦大學(xué)教授、瑞士著名量子通信企業(yè)IDQuantique創(chuàng)始人尼古拉·吉森（Nicolas Gisin）對第一財經(jīng)記者表示：“和中國所有的重大基礎(chǔ)設(shè)施項目一樣，中國的量子通信項目也得到了中國政府的大力支持。這是中國能夠在短時間內(nèi)迅速趕上并有望超過歐美國家的重要因素?！?/p>

“京滬干線的開通運營是中國量子通信一次重大的升級?！迸私▊ピ菏繄F(tuán)隊的陸朝陽教授表示。使用傳統(tǒng)通信方式時，竊聽者可以在光纖線路上的每個點攔截數(shù)據(jù)流進(jìn)行竊聽，不過量子加密技術(shù)讓長達(dá)1200英里的京滬干線上的易受攻擊點減少到了幾十個。“這不是最終的解決方案，但就安全而言，已經(jīng)是一個巨大的進(jìn)步?！?/p>

圖靈獎獲得者姚期智教授此前在接受第一財經(jīng)記者采訪時，對中國研制量子計算機(jī)的意義做出評價。他說道：“制造量子計算機(jī)的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過只研究量子計算，因為這種大工程將會帶動技術(shù)的進(jìn)步，通過激發(fā)科學(xué)家和工程師的潛力，創(chuàng)造出新方法和新技術(shù)，從而在工業(yè)發(fā)展、國家安全等諸多領(lǐng)域中作出有益于社會的貢獻(xiàn)?！?/p>