瞭望｜我国量子计算机的超越之路
◆ 中国在基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术三个方面总体上处于世界领先地位，暂时在比特数纠缠上走在了世界前列
◆ 今年底，有望与普通商用电脑在求解线性方程组方面达到一样的速度
◆ 传统计算机算得很好的问题，没必要再用量子计算机做，现在瞄准的是原来超级计算机解决不了的问题
◆ 随着中国超导计算机团队开始受到国际关注，我们受到的限制也越来越多
◆ 我国量子计算机人才队伍与发达国家尚有差距
◆ 面临激烈竞争，如果没有国家决策、投入，也许后面很难保持研究特色，在国际上的引领地位也会受到严重影响
文/《瞭望》新闻周刊记者扈永顺
量子计算机是什么、它又能做什么？
日前，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组，发布了基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得的两项突破性成果，回答了世人的疑问，也描述了我国量子计算机研究领先世界的博弈之路。
在光学体系：研究团队在2016年首次实现10光子纠缠操纵的基础上，利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。
在超导体系：研究团队打破了之前由谷歌、美国国家航空航天局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现的9个超导量子比特的操纵，实现了目前世界上最大数目（10个）超导量子比特的纠缠，并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。
“10个超导比特纠缠，被中国物理学家实现了，一群中国物理学家已经在竞争中领先了。”谷歌超导量子计算机领军人物、超导量子纠缠数目纪录保持者John Martinis对潘建伟团队所做的超导量子比特纠缠给予了很高评价。
“在做光量子通信研究过程中我碰到的一个难题就是光如何存储。这就迫使我做超冷原子，进而发现超冷原子与超导体是量子计算可扩展的最好的两个系统，所以我们的研究主要集中在基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术三个方面。”领衔我国光量子通信研究的潘建伟教授告诉《瞭望》新闻周刊记者，量子计算有多种物理实现路径，中国的这三种技术路径发展总体上处于世界领先地位。
“我们暂时在比特数纠缠上走在了世界前列。到了今年底，争取做出20个超导量子比特样品的设计、制备和测试；实现大约20个光量子比特的操纵。”潘建伟提出了自己的目标。
量子计算研究领先世界
量子是什么？量子是最小的、不可再分割的能量单位。分子、原子、电子是量子的不同表现形式，我们这个世界就是由量子组成的。
量子世界有不同于宏观世界的特征。根据量子力学理论，它既能“叠加”又能“纠缠”。经典计算机将信息编码成以两种状态（0和1）表示的比特，而构成量子计算机的量子比特则可以以叠加的形式同时处于这两种状态。而且如果两个量子之间是“纠缠态”，那么一个量子的状态发生变化，另一个量子也会瞬间发生变化。
“这样的体系对外界干扰非常敏感。我们做的粒子越多，周围噪声也是指数型增加的。但这也是它非常强大的地方，一旦把周围干扰排除，就可以做量子计算、精密测量了。我们在实验室控制下，已经克服了噪声等干扰。”潘建伟介绍说。
光量子抗干扰能力强。光在真空中飞与环境没有相互作用，非常“强健”。从2002年操纵4光子开始，潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平，并于2016年底把纪录刷新至10光子纠缠。
但光会有损耗。“我们需要把单光子源的收集和探测效率做到最高，把损耗压制到最低。”中国科技大学陆朝阳教授告诉《瞭望》新闻周刊记者，要操纵多的光子，就要有好的单光子源，团队在2016年生产出了国际上最高品质和最高效率的单光子源。在此基础上，通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。
“玻色取样”即对单光子干涉后采样的问题，对经典计算机来说非常困难，但量子计算机处理这个问题时比经典计算机快得多。实验表明，该原型机使用5个光子处理“玻色取样”任务，速度不仅比之前国际同行类似的所有实验加快至少24000倍，同时，通过和经典算法比较，也比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10～100倍。
5月2日，该研究成果以长文的形式在线发表于《自然·光子学》。审稿人称，中国科学家创造了第一代量子计算机，这是量子计算机中的ENIAC。
“在超导体体系中，谷歌过去跑得快。2015年，它实现了9个高量子比特的操纵。但现在我们做出了10个超导量子比特处理器。”中国科技大学教授朱晓波说，“超导比特纠缠态的制备方面，有一个重要指标，即保真度要大于50%，我们已经达到66%。”这标志着我国超导量子比特集成系统设计、制备、控制与测量方面，达到了世界先进水平。
超导量子计算的缺点是需要在低温下运行。“我们低温的条件可以达到零下273℃，我们有标准技术可以保持这个温度，而且耗电量比超级计算机小得多。”朱晓波肯定地说。研究团队还利用超导量子线路演示了求解线性方程组的量子算法，证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性。
潘建伟打比方说，对量子计算的研究相当于“雨后的春笋”。“经过短时间的努力，我们已经取得很大进展，往前跨了很大一步。今年底，有望与普通商用电脑在求解线性方程组方面达到一样的速度。”
量子计算机的“特殊”使命
量子具有的叠加性质使量子计算机可以同时执行大量计算，量子计算能力随可操作的粒子数呈指数增长。达到20~25个左右的量子比特纠缠，它的计算能力就能达到现在英特尔4核处理器的运算速度。
“这只是在某一类问题计算上比经典计算机快，比如说经典计算机不能有效解决的难题。”潘建伟告诉《瞭望》新闻周周刊记者，传统计算机算得很好的问题，没必要再用量子计算机做，现在瞄准的是原来超级计算机解决不了的问题。
▲ 5月3日，中国科学技术大学陆朝阳教授（中）和学生们在中科院量子信息和量子科技创新研究院上海实验室检查光量子计算机的运行情况
在实验室，记者见到了可在室温下工作的光量子计算机。这台原型机由单光子源、超低损耗光量子线路、单光子探测器三部分构成。陆朝阳介绍说，光量子计算机的优势就是做“玻色取样”，这种算法在经典计算机上很难求解。利用光量子计算机，5个量子比特的计算能力就能超越世界上早期经典计算机。“今年底做到20比特，就能比手提电脑做‘玻色取样’速度快。将来做到50比特，就比超级计算机算得好。”
▲ 这台原型机由单光子源、超低损耗光量子线路、单光子探测器三部分构成。（资料来源：潘建伟教授PPT）
“2017年底，希望实现20比特量子处理器，即可编程的超导量子计算机。到2020年，希望达到50个量子比特纠缠。”潘建伟说，届时，如药物设计、气象预报等许多问题的求解，都可以归结为线性方程组的求解，可以用超导计算机解决。其他例如密码分析、金融分析、石油勘探等大规模计算难题都有望通过量子计算机解决。
潘建伟预计，未来10年，量子计算机有望操纵100个量子比特，它的运算能力将达到世界运算总和的百万倍，是现有最强超级计算机的百亿亿倍。正是基于量子计算机的巨大价值，Google、IBM对超导计算机研制加大投入。IBM投资约30亿美元研发下一代芯片，主要包括量子计算、神经网络；微软公司的研究方向为基于拓扑学的量子计算机；英特尔公司的研究方向则是硅基量子计算机。
▲ 资料来源：潘建伟教授PPT
“从大尺度讲，最快能够带来实际价值的系统，是超冷原子系统。2050年达到操纵50个量子，是非常可靠的。超导量子计算是最容易集成的，将来会走在前面。”潘建伟分析说，光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算三个系统可互相借鉴。光的算法研究清楚后，最早是在光量子计算机上实现的线性方程组求解，现在已在超导计算机上实现。任意子模拟方面，首先在光量子计算机上实现，后来在超导计算机上实现，这些研究对超导计算机的研究起到了促进作用。超冷原子与自由空间发展出的电子学技术，对量子超导计算起到了很好的控制作用。从前电子学控制器件需要进口，现在可以实现自主突破。
“人工智能”今年首次写进政府工作报告，进一步上升为国家战略。潘建伟告诉《瞭望》新闻周刊记者：“将要启动的人工智能2.0计划中，包含量子人工智能专项，它的基础就是量子计算相关技术。但在此之前，需要通过两三年的努力，使量子计算能力在一些特定问题上超越超级计算机。回过头来再拓展到量子人工智能。”
量子科学研究仍需国家支持
“以前我们实验里需要低温放大器，国外质量最好的厂家不给我们供货。我们自己做出噪声更低的低温放大器后，国外厂商开始给我们供货了。”王浩华向《瞭望》新闻周刊记者表示，随着中国超导计算机团队开始受到国际关注，我们受到的限制也越来越多。“现在超导计算机重要器件国际上对我国禁运。自己做电子学器件、掌握技术自主性，还有很多问题需要我们自己去摸索解决。”
“关键是要自己解决。”潘建伟强调，协同创新非常必要，希望将来与国家实验室结合起来，集中全国主要优势力量做一个事情。比如将微纳控制、电子学、低温冷却等优势力量集中起来，集中一点做出超导量子计算机。
我国量子计算机人才队伍与发达国家尚有差距。潘建伟分析说，“在光量子领域，我们人才是领先的。在超冷原子领域、量子模拟方面，我们经过努力，已经有了几支国际领先的团队。在超导量子计算方面，我们对比的主要是国际领先的谷歌超导量子计算人才，他们有一二十个领军人才，我们只有两三个，在人才队伍上还有很大差距。”
受访专家认为，我国要做好量子计算领域年轻人才培养工作，包括培养能够使用量子计算机的人才等。在量子计算软硬件方面相对落后的情况下，应加快布局，并组织力量进行软件研发和技术积累。
量子计算机是个很复杂的问题，很多问题尚待研究清楚。鉴于此，朱晓波建议，希望提供一个团队与其他研究机构的接口。“大家来提供问题，我们做演算。”
“因为有中国科学院的先导专项，我们靠科学院‘输血’，保持特色往前走。然而现在到了量子计算机发展‘雨后春笋’的时候，仅靠科学院的养分不能继续生长。”潘建伟忧虑，现在面临激烈竞争，如果没有国家决策、投入，也许后面很难保持研究特色，在国际上的引领地位也会受到严重影响。
《瞭望》新闻周刊记者了解到，我国在科技创新2030-重大项目中部署了量子通信和量子计算机项目。“量子通信和量子计算机重大项目是个百亿项目，现在已有规划但还没实施。希望尽快启动国家重大科技专项。”潘建伟说。LW
刊于《瞭望》2017年第19期，原题《我国量子计算机的“超越”之路》
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