位于上海浦東新區(qū)的中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院，距離新建成的上海迪士尼樂(lè)園約10公里。當(dāng)中外游客盡享米老鼠、唐老鴨、高飛帶來(lái)的歡樂(lè)時(shí)，這里的“量子計(jì)算機(jī)兄弟”悄然孕育革新。
量子計(jì)算機(jī)的概念最早由美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼在1982年提出。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的最基本單元均為比特，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特受到非“0”即“1”的二元限制，量子計(jì)算機(jī)的比特則是“0”和“1”兩種狀態(tài)按照任意比例疊加。
“量子計(jì)算是并行的，當(dāng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)重復(fù)實(shí)施2的N次方次操作時(shí)，量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)對(duì)2的N次方個(gè)數(shù)字進(jìn)行計(jì)算，因此在一些特定問(wèn)題上可以獲得很快的處理速度。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉說(shuō)。
換言之，量子計(jì)算能力隨著可操縱的粒子數(shù)增加而呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算難題將“迎刃而解”。
當(dāng)前量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展較為重要的三支脈絡(luò)分別是光子、超冷原子和超導(dǎo)，它們各有所長(zhǎng)、齊頭并進(jìn)。在潘建偉的帶領(lǐng)下，“三兄弟”在中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院扎根落戶，嶄露頭角，3日“雙喜臨門(mén)”。
其中，潘建偉和陸朝陽(yáng)等人構(gòu)建的光量子計(jì)算原型機(jī)，成為世界首臺(tái)在運(yùn)行速度上“跑”贏早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。在朱曉波、王浩華、陸朝陽(yáng)和潘建偉等中國(guó)科學(xué)家的協(xié)同工作下，成功實(shí)現(xiàn)目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特糾纏。
記者先來(lái)揭開(kāi)單光子量子計(jì)算機(jī)的“面紗”。單光子光開(kāi)關(guān)、超低損耗光量子線路、單光子探測(cè)器和單光子源組成一臺(tái)原型機(jī)，幾乎占據(jù)半間房，從外觀上看與人們慣用的電腦相去甚遠(yuǎn)。
“把一個(gè)個(gè)單光子放進(jìn)去進(jìn)行干涉，進(jìn)行玻色取樣任務(wù)，測(cè)試計(jì)算能力。”陸朝陽(yáng)說(shuō)，從1999年開(kāi)始他們團(tuán)隊(duì)就在多光子糾纏和操縱方面保持國(guó)際領(lǐng)先地位，在2016年把多光子糾纏紀(jì)錄刷新到10光子糾纏?；诖?，單光子量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度超過(guò)人類(lèi)史上首臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)和首臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)10至100倍。
記者又來(lái)探訪超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，只見(jiàn)銀白色直筒“浮”在半空。朱曉波說(shuō)，直筒底部溫度接近絕對(duì)零度，一枚精巧的芯片安放其中。他們團(tuán)隊(duì)?wèi){此首次實(shí)現(xiàn)10個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏，并實(shí)現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。
“這標(biāo)志著我國(guó)在超導(dǎo)量子比特集成系統(tǒng)的制備、測(cè)量等方面達(dá)到世界先進(jìn)水平。”潘建偉補(bǔ)充說(shuō)，2016年10月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與北京大學(xué)研究者組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在超冷原子量子模擬領(lǐng)域也取得重大突破。
科學(xué)家指出，量子計(jì)算機(jī)除在速度上令經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及，也將在未來(lái)影響人們生活。以大數(shù)因數(shù)分解為例，經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要150000年，萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)分解這個(gè)大數(shù)只需1秒。而網(wǎng)絡(luò)非對(duì)稱加密協(xié)議是基于大數(shù)因數(shù)分解形成，一旦突破量子計(jì)算機(jī)，或?qū)㈩嵏踩藗儗?duì)通信安全的理解。
但對(duì)“三兄弟”的未來(lái)模樣，科學(xué)家們還不敢輕易下結(jié)論。“三種體系相互借鑒，但未來(lái)會(huì)否有一臺(tái)通用的量子計(jì)算機(jī)，會(huì)否和經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣有芯片，我們還無(wú)法想象。”潘建偉說(shuō)。
他肯定的是，人類(lèi)對(duì)于計(jì)算能力的需求無(wú)止境，量子計(jì)算將被應(yīng)用在密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探等方面，“三兄弟”必將發(fā)揮更大的作用。