中科大、厲害了！浙大聯合攻關誕生的中國首台光量子計算機到底有多牛？

今天上午（5月3日），中國科技界迎來了一則重磅消息！中國科學技術大學教授、中國科學院院士潘建偉在上海宣布，中國科研團隊成功構建光量子計算機，首次演示了超越早期經典計算機的量子計算能力。

值得一提的是，這次演示的光量子計算機是「世界首台」，更是貨真價實的「中國造」，由中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組共同攻關。

科技巨頭投百億研發量子計算機

目前，全球科技巨頭都在跟蹤量子計算機的研究。其中，Google在2007年之前就開始了啟動研究工作。2014年9月，Google宣布加大量子計算機的投入，並與NASA成立聯合實驗室，設計和建造量子計算處理器。2014年，IBM也宣布在量子計算領域加大投入，投入金額達到30億美元。

潘建偉表示，谷歌、IBM等公司擁有人才優勢。尤其是谷歌，目前仍可以算是的量子計算機里的領頭羊。但這次，研究團隊通過高精度脈衝控制和全局糾纏操作實現10比特量子態的成果，使中國在超導體系量子計算機研究領域也進入世界一流水平行列。

在此之前，潘建偉和同事一直保持著多光子糾纏態的世界紀錄，他們分別於2004年、2007年、2012年在國際上首次實現對五光子、六光子、八光子糾纏的操縱，並系統性地應用於量子通信、量子計算等多個研究方向。此外，10個比特超導線路，也讓該團隊在超導體系打破了之前由谷歌、美國航天航空局和加州大學聖芭芭拉分校公開報道的9個超導量子比特的操縱。

中國誕生首台光量子計算機

據潘建偉介紹，這次實驗最重要的是實現了兩大突破：首先，這是由中國科研團隊完成的世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機；其次，這也是世界上糾纏數目最多（10個）的超導量子比特處理器。

這兩大突破背後有何意義？量子計算機與傳統計算機有何不同？以及，在量子計算領域，中國與其他國家相比實力如何？在今天的新聞發布會上，潘建偉教授用15張PPT作了解釋，下面一起來看一看：

在理解量子計算機之前，我們首先需要知道什麼是量子糾纏和量子疊加原理。按照經典計算機的設計原理，科學家們在傳統晶元的晶體管中，用0和1的二進位來表示信息。但在量子力學的世界裡，依據量子的物理性質，它能夠呈現疊加狀態，能同時表示0和1。處於疊加態的量子比特能以一種叫做量子糾纏的現象相互聯繫，簡單來說，就是一個量子比特的行為能瞬間影響到另一個量子比特。

依據量子比特的特殊性，著名物理學家理查德·費曼最早提出了量子計算機。按照他當時的設想，如果用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。

費曼對量子計算機概念的闡述還有個經典的應用場景描述：你被要求5分鐘內在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個大寫字母「X」，這幾乎是不可能的，因為那裡有5000萬冊書。但是如果你處於5000萬個平行現實中，每個現實都可以查看不同的書籍，那麼你肯定能在其中某個現實中找到這個「X」。在這個假設中，普通計算機就像是前一種情形中瘋子般的那個你，需要在5分鐘內找遍儘可能多的書。而量子計算機卻能複製出5000萬個你，每個只需翻找一本書即可。

正是因為量子計算機有如此「神奇」的作用，除了中國在該領域有研究投入外，美國和歐洲的政府部門、大型科技公司和前沿實驗室都對量子計算產生了極大的興趣。

谷歌、IBM和微軟等公司都已發布各自的量子計算機研究計劃。毫無疑問，目前谷歌仍是量子計算領域的領頭羊。此前，谷歌曾宣布將在今年推出49 量子比特的量子計算機。

潘建偉團隊的此次實驗，使得中國的超導體系量子計算機研究，進入世界一流水平行列。首先，這次的光量子計算機原型機的取樣速度比國際同行類似的實驗加快至少24000倍；通過和經典演算法比較，這也比人類歷史上第一台電子管計算機和第一台晶體管計算機運行速度快10倍至100倍。

另外，這次研究團隊自主研發了10比特超導量子線路樣品，通過發展全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的糾纏和完整的測量。更進一步的是，研究團隊利用超導量子線路演示了求解線性方程組的量子演算法，證明了通過量子計算的並行性加速求解線性方程組的可行性。

10個比特超導線路，也讓該團隊在超導體系打破了之前由谷歌、美國航天航空局和加州大學聖芭芭拉分校創下的9個超導量子比特的操縱記錄。

2016年，潘建偉團隊首次成功實現「十光子糾纏」。多粒子糾纏操縱作為量子信息處理基本能力的核心指標，近年來一直是國際學界角逐的焦點。操縱的糾纏光子數目越多，量子信息處理能力就會呈指數增長，但同時實驗實現的難度也急劇增加。

經過努力，潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組，把比特數目擴展到10個，並製備了10比特的糾纏GHZ態，保真度大於66%，據介紹，在目前公開的結果中，這是超導量子比特系統中糾纏的數目最多的。

從最初的3比特，到5比特，到6比特，再到如今的10比特，潘建偉說，此次測試的成功標誌著中國在超導量子比特集成系統的設計製備、控制與測量等各方面都打下了堅實的基礎。根據計劃，潘建偉的研究團隊將在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱，20個超導量子比特樣品的設計、製備和測試，量子計算機的速度將會成指數增長。

來源：青塔

今日審稿：石雅亮

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