探访中国科学院的“量子计算机兄弟”

位于上海浦东新区的中国科学院量子信息和量子科技创新研究院，距离新建成的上海迪士尼乐园约10公里。当中外游客尽享米老鼠、唐老鸭、高飞带来的欢乐时，这里的“量子计算机兄弟”悄然孕育革新。

量子计算机的概念最早由美国物理学家费曼在1982年提出。简单来说，量子计算机与经典计算机的最基本单元均为比特，经典计算机的比特受到非“0”即“1”的二元限制，量子计算机的比特则是“0”和“1”两种状态按照任意比例叠加。

“量子计算是并行的，当经典计算机重复实施2的N次方次操作时，量子计算机可以同时对2的N次方个数字进行计算，因此在一些特定问题上可以获得很快的处理速度。”中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟说。

换言之，量子计算能力随着可操纵的粒子数增加而呈现指数增长，一些经典计算机无法解决的大规模计算难题将“迎刃而解”。

当前量子计算技术发展较为重要的三支脉络分别是光子、超冷原子和超导，它们各有所长、齐头并进。在潘建伟的带领下，“三兄弟”在中科院量子信息和量子科技创新研究院扎根落户，崭露头角，3日“双喜临门”。

其中，潘建伟和陆朝阳等人构建的光量子计算原型机，成为世界首台在运行速度上“跑”赢早期经典计算机的量子计算机。在朱晓波、王浩华、陆朝阳和潘建伟等中国科学家的协同工作下，成功实现目前世界上最大数目的超导量子比特纠缠。

记者先来揭开单光子量子计算机的“面纱”。单光子光开关、超低损耗光量子线路、单光子探测器和单光子源组成一台原型机，几乎占据半间房，从外观上看与人们惯用的电脑相去甚远。

“把一个个单光子放进去进行干涉，进行玻色取样任务，测试计算能力。”陆朝阳说，从1999年开始他们团队就在多光子纠缠和操纵方面保持国际领先地位，在2016年把多光子纠缠纪录刷新到10光子纠缠。基于此，单光子量子计算机的运算速度超过人类史上首台电子管计算机和首台晶体管计算机10至100倍。

记者又来探访超导量子计算机，只见银白色直筒“浮”在半空。朱晓波说，直筒底部温度接近绝对零度，一枚精巧的芯片安放其中。他们团队凭此首次实现10个超导量子比特的纠缠，并实现了快速求解线性方程组的量子算法。

“这标志着我国在超导量子比特集成系统的制备、测量等方面达到世界先进水平。”潘建伟补充说，2016年10月，中国科学技术大学与北京大学研究者组成的联合团队在超冷原子量子模拟领域也取得重大突破。

科学家指出，量子计算机除在速度上令经典计算机望尘莫及，也将在未来影响人们生活。以大数因数分解为例，经典计算机分解300位的大数需要150000年，万亿次量子计算机分解这个大数只需1秒。而网络非对称加密协议是基于大数因数分解形成，一旦突破量子计算机，或将颠覆人们对通信安全的理解。

但对“三兄弟”的未来模样，科学家们还不敢轻易下结论。“三种体系相互借鉴，但未来会否有一台通用的量子计算机，会否和经典计算机一样有芯片，我们还无法想象。”潘建伟说。

他肯定的是，人类对于计算能力的需求无止境，量子计算将被应用在密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等方面，“三兄弟”必将发挥更大的作用。

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