【南方日报】世界首台光量子计算机中国造 2017-05-04

量子计算机“婴儿”诞生
世界首台光量子计算机中国造

中国科学院5月3日在上海举行新闻发布会宣布,我国科研团队成功构建的光量子计算机,首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力,并在世界上首次成功实现十个超导量子比特纠缠,打破此前的世界纪录,在基于超导体系的量子计算机研究方面取得突破性进展。

国科学技术大学的潘建伟团队联合浙江大学王浩华等自主研发了十比特超导量子线路样品,通过发展全局纠缠操作,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。
在光量子计算方面,潘建伟及其同事陆朝阳等利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源,并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。

新版“神算子”有多神?

求解一个亿亿亿变量(10的24次方)的方程组,利用目前的超级计算机,大约需要100年。而对类似这样的大规模计算难题,如果借助万亿次量子计算机,只需0.01秒。

全新的量子计算机利用量子特有的“叠加状态”,以采取并行计算的方式,让速度以指数量级地提升。潘建伟院士和陆朝阳研制的光量子计算机,已经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倍至100倍。

据介绍,关于量子计算研究的系列成果已经发表于《自然·光子学》等国际权威学术期刊上。“这意味着,中国科学家研制出了量子计算领域的埃尼亚克(第一台电子管计算机ENIAC)。”《自然·光子学》的审稿人表示。

潘建伟说,在量子计算基础研究领域,就计算能力而言,科学界有三个达成共识的指标性节点:第一步超越首台经典计算机,第二步超越商用CPU,第三步超越超级计算机。“目前我们实现的只是其中的第一步,但这一小步却是重要的一步。”

陆朝阳表示,预计年底可以实现操纵20个量子比特、达到目前商用CPU水平;到2020年,有望实现操纵45个量子比特的目标,向经典超级计算机的计算能力发起挑战。

何时飞入“寻常百姓家”?

从诞生以来,量子力学就一直在催生众多重大发明,包括原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位等。量子计算机的问世,有助于解决现有计算机也难以解决的问题。

“10年内,超导量子操纵有可能做到100个粒子。到那时,它对某些特定问题的计算能力就可以达到目前全世界所有计算能力之和的100万倍,计算能力将会突飞猛进。”潘建伟说,此外量子计算机能耗更低。

专家认为,计算能力极限的大幅提升,意味着量子计算机可以分析更多数据。比如,实现精准的天气预报,躲避飓风海啸;计算优化的出行线路,让城市减少堵车;识别有效的分子组合,降低药物的研发成本和周期;甚至可以用于探索太空,较快辨别可能存有生命体的行星。
潘建伟预测,造出“专用”量子计算机,在求解材料设计、化学研究、物理研究等特别需要、特别有用的问题上超越“超级计算机”,有望在10年出现,最终还将拓展到量子人工智能领域。

量子时代还有哪些畅想?

随着“墨子号”发射升空,我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。按照规划,未来还将发射多颗量子卫星。到2030年左右,建成一个全球化的广域量子通信网络。
潘建伟说,量子通信可以从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的安全性,从根本上解决信息安全问题。目前,量子保密通信已逐步进入产业化阶段,成为未来保障信息安全的“护卫舰”。

者了解到,对于量子时代的科学应用,中国“量子人”团队有着明确的科研路线图:通过量子通信研究,从初步实现局域量子通信网络,到实现多横多纵的全球范围量子通信网络;通过量子计算研究,为大规模计算难题提供解决方案,实现大数据时代信息的有效挖掘;通过量子精密测量研究,实现新一代定位导航等。

到2030年,或许人人家里都有一个“密钥机”;新的量子材料可以改变电池技术,成百倍地扩大电池容量……面对变幻莫测的量子世界,从“被动观测”迈入“主动调控”,人们期待着量子科技开启更美好的未来。
综合新华社电

■科普
当量子纠缠起来
连爱因斯坦也受不了

“量子”是什么?量子是最小的、不可再分割的能量单位。这个概念诞生于1900年,物理学家普朗克在德国物理学会上公布了他的成果,成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。

量子的神秘之处首先体现在它的“状态”:在微观世界里,量子同时处于多种状态和多个位置的“叠加”。量子力学的开创者之一、奥地利物理学家薛定谔曾用一只猫来比喻量子态叠加:箱子里有一只猫,在宏观世界中它要么是活的,要么是死的。但如果在量子世界中,它同时处于生和死两种状态的叠加。

更为诡异的是,量子的状态还经不起“看”:如果你打开“薛定谔的箱子”,猫的叠加状态就会消失,你会看到一只活猫或一只死猫。
如果说一个量子已经很“奇怪”,那么当两个量子“纠缠”在了一起,那种不确定性连爱因斯坦都受不了了。根据量子力学理论,如果两个量子之间形成了“纠缠态”,那么无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个量子也会超光速“瞬间”发生如同心灵感应的变化。据新华社

南方日报2017年5月4日http://epaper.southcn.com/nfdaily/html/2017-05/04/content_7636189.htm


     
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