“與我們這臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算原型機(jī)比起來，之前報(bào)道過的同類量子計(jì)算機(jī)只是沒法實(shí)用的游戲機(jī)。”潘建偉說。
5月2日，該研究成果以長文的形式在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。審稿人評(píng)價(jià)稱，中國科學(xué)家“建造出了第一代量子計(jì)算機(jī)，是量子計(jì)算機(jī)中的ENIAC”（注：ENIAC是人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)）。
國際學(xué)術(shù)界將量子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力超過現(xiàn)有經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的目標(biāo)，稱為“量子稱霸”。中國的這臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)，是人類歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子模擬機(jī)，為人類最終實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
“玻色取樣”任務(wù)中，目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)能處理約45個(gè)粒子。“我們計(jì)劃在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱，對(duì)玻色取樣問題的計(jì)算能力就能超越現(xiàn)有最好的商用CPU電子計(jì)算機(jī)。”潘建偉說。
在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，我國科學(xué)家也取得了重大突破。
在超導(dǎo)體系，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(shí)現(xiàn)了9個(gè)超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。這個(gè)記錄在2017年被中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次打破。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波、浙江大學(xué)教授王浩華的研究團(tuán)隊(duì)和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，成功實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的多體純糾纏，并通過層析測量方法完整地刻畫了10比特量子態(tài)。
“簡單地說，我們做出了10量子的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)CPU芯片，并用它演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計(jì)算的并行性加速求解線性方程組的可行性。”朱曉波告訴記者，相關(guān)量子算法的成果已經(jīng)過審，即將發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。目前研究團(tuán)隊(duì)正在致力于20個(gè)超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測試，并計(jì)劃于今年年底前發(fā)布量子云計(jì)算平臺(tái)。
世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)。中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者 佘惠敏攝
量子計(jì)算：計(jì)算機(jī)中的“戰(zhàn)斗機(jī)”
如果把現(xiàn)在傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)比作自行車，那么，初試啼聲的量子計(jì)算機(jī)就好比飛機(jī)，它未來的計(jì)算能力將秒殺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)為何可以成為計(jì)算機(jī)界的“戰(zhàn)斗機(jī)”？這與它的計(jì)算原理密切相關(guān)。
現(xiàn)有的電子計(jì)算機(jī)，1個(gè)物理比特只能存儲(chǔ)1個(gè)邏輯態(tài)——或者0，或者1。而量子計(jì)算機(jī)利用的是量子的相干疊加原理，可以制備在兩個(gè)邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，1個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1。
這意味著什么呢？意味著量子計(jì)算機(jī)的處理能力將隨著比特?cái)?shù)的增加而呈指數(shù)級(jí)上升。量子計(jì)算機(jī)有N個(gè)比特，就可以一次對(duì)2的N次方個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)算上2的N次方次。
指數(shù)級(jí)增加有多么厲害？
曾有一個(gè)著名典故《棋盤上的糧食》描述了指數(shù)增長的可怕。傳說中一名宰相發(fā)明了國際象棋獻(xiàn)給國王，國王問他需要什么獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)，他說只需要賞賜一些麥子即可：在棋盤上第1個(gè)格子里放1顆，第2格放2顆，第3格4顆，此后每一格顆數(shù)都是前一格2倍。國王以為這個(gè)賞賜很容易，卻發(fā)現(xiàn)整個(gè)國庫的糧食全放進(jìn)去都不夠。原來，國際象棋有64格，那么需要的麥粒總顆數(shù)就是2的64次方減1，這大約是140萬億升小麥，需要全世界生產(chǎn)2000年！
量子計(jì)算計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，這可以為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。
“分解300位大數(shù)，利用萬億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要15萬年，利用萬億次量子計(jì)算機(jī)只需要1秒。”潘建偉預(yù)測，2020年左右超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)就可以操縱50個(gè)量子比特，屆時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”，在處理一些特定問題的能力上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)中計(jì)算能力最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。他還預(yù)計(jì)，10年內(nèi)量子計(jì)算機(jī)將可能實(shí)現(xiàn)對(duì)100個(gè)粒子的相干操縱，屆時(shí)它處理特定問題的能力就可以達(dá)到現(xiàn)有最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的百億億倍，或者目前全世界計(jì)算能力總和的百萬倍。
正是由于量子計(jì)算的巨大潛在價(jià)值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展協(xié)同攻關(guān)，同時(shí)，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強(qiáng)勢介入量子計(jì)算研究。
中國科學(xué)家也加入了這場角逐，并取得了相當(dāng)亮眼的成果，并對(duì)下一步發(fā)展進(jìn)行了部署。
潘建偉介紹，我國將要啟動(dòng)的人工智能2.0計(jì)劃中，就有量子人工智能的專門部分，其技術(shù)基礎(chǔ)就是量子計(jì)算機(jī)。而在這之前，“我們首先要通過三五年努力，實(shí)現(xiàn)量子稱霸，讓量子計(jì)算機(jī)在某些特定問題上超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。”
