一个世纪前，人类首次开启神秘的量子世界之门;进入21世纪，量子计算等技术的飞速发展为新科技革命插上腾飞的羽翼。

 

　　今年5月初，中国科学家潘建伟团队在上海宣布，世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机问世，同时，首次成功实现10个超导量子比特纠缠。这意味着，量子计算领域的“中国造”就此闪亮登场，中国科学家为量子计算的未来画出了一张令人期待的蓝图。

 

　　量子计算机“牛”在哪儿

 

　　量子计算机最令人惊叹之处，在于其颠覆式的计算能力突破。传统计算机用“0”和“1”来记录所有的信息状态，每一步只能完成2的一次方——2次运算。量子计算机则利用量子特有的“叠加状态”，实现并行计算，让速度指数级提升。比如，2个量子态(或称“2个量子比特”)的量子计算机，每一步可进行2的2次方——也就是4次运算。3个量子比特的量子计算机，每一步可以对信息进行2的3次方——8次计算。如果说传统计算机是两个手指弹钢琴，那么量子计算机就相当于成千上万只手同时弹奏。

 

　　一旦量子计算机达到50个量子比特水平，一步就能进行2的50次方运算(超过一千万亿次)，达到目前超级计算机的计算能力。量子比特数量继续上升，量子计算机将把现有的超级计算机远远甩在后面。

 

　　中国科学技术大学潘建伟院士和陆朝阳教授等人最新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。这一成果发表于《自然·光子学》时，审稿人这样评价：“中国科学家研制出了量子计算领域的埃尼亚克(ENIAC，第一台电子管计算机)。”

 

　　潘建伟说，在量子计算基础研究领域，就计算能力而言，有三个指标性节点：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，但这却是重要的一步。”

 

　　陆朝阳表示，预计今年底可以实现操纵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，向超级计算机的计算能力发起挑战。

 

　　中国科学家为领跑而蓄力

 

　　由于量子计算潜在价值巨大，欧美各国都在积极整合研究力量和资源，开展协同攻关，高科技巨头谷歌、微软、IBM等也已强势介入。

 

　　现今国际学术界的量子计算研究，集中于光子、超冷原子和超导线路三种体系。在光子体系方面，潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子和十光子纠缠，一直保持国际领先水平，其“多光子纠缠及干涉度量”项目获得2015年度国家自然科学奖一等奖。

 

　　“最快带来实际价值的体系是超冷原子量子模拟，将来可能实现集成化的是超导量子计算。”潘建伟说，其实三个体系可以相互借鉴。比如，光子系统有些算法搞清楚后，可以应用于其他量子系统。超冷原子计算发展的一些电子学技术，也极大地推动了超导量子计算。

 

　　2015年，谷歌、美国航天航空局和加州大学圣巴巴拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。此次，潘建伟及其同事朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组，首次实现10个超导量子比特的纠缠，在基于超导体系的量子计算机研究方面取得突破性进展。

 

　　潘建伟认为，目前量子计算领域竞争非常激烈。在量子通信领域，中国已世界领先，但是量子计算的人才水平与欧美还有一定差距。“在光量子计算方面我们是领先的，在超冷原子方面，我们也已达到国际一流水平，超导量子计算领域仍需要培养更多人才。”

 

　　由于高精度量子操控技术的极端复杂性，目前全世界科学家的相关研究都仍处在早期阶段。“量子计算机就像初生的婴儿，未来最终会长成什么样子，对整个科学界而言都是未知数。”潘建伟说。

 

　　未来大有用武之地

 

　　在实验室里，半月谈记者看到了光量子计算机的部分模样：成百上千个大大小小的元器件排列在一起，看起来甚至有些杂乱无章，与人们心目中的“电脑”完全不同。陆朝阳介绍，这是光量子计算机的核心——光量子处理器，当单光子发生器产生的光子通过线路输送到这里，它就可以进行量子计算。

 

　　陆朝阳说，虽然这台光量子计算机还不如智能手机计算能力强，但它是一个里程碑。就像人类历史上第一台电子计算机，有几个屋子那么大，今天看它不值一提，但是它在科学史上意义非凡。

 

　　为了测试量子计算机的计算能力，科学家设计了一种名为“玻色取样”的计算“游戏”。传统计算机对此往往束手无策，而此次由中国研究团队研制成功的光量子计算机，则在这个“游戏”上表现出色。

 

　　量子计算机的问世，意味着计算能力极限的大幅提升。潘建伟说，尽管现在的量子计算机还很稚嫩，但未来有望在人类面临的大规模计算难题上大展拳脚。比如，在公共安全领域，量子计算可以瞬间处理监控数据库中60亿人次的脸部图片，实时辨别出一个人的身份;在公共交通领域，量子计算能够迅速对复杂的交通状况进行分析预判，调度综合交通系统，最大限度避免道路拥堵……

 

　　“10年内，量子计算对某些特定问题的计算能力可以达到目前全世界计算能力之和的一百万倍。”潘建伟说。

 

　　潘建伟预测，传统计算机能够胜任的领域，不需要动用量子计算机。在材料设计、物理研究等需要大规模计算的领域全面超越超级计算机的量子计算机，有望在10年后出现，再往后，量子人工智能也并非天方夜谭。

 

　　不过，未来也未必人手一台量子计算机。潘建伟说，量子计算也可以云计算的方式进行，通过量子通信把需要计算的任务发送到“云端”。至于以后是否有通用量子计算机，“现在还很难说。就像古代人无法想象计算机取代算盘一样，将来的量子计算机可能跟我们现在想象的都不一样。”

 

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