厉害了，量子计算机

佘惠敏

世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机已在中国诞生——中科院量子信息和量子科技创新研究院于2017年5月3日在上海发布的这个消息惊动了世界。

这是一台什么样的计算机？传说中可秒杀现有计算机的量子计算机何时能走入现实？

中国量子：奠定“量子称霸”基础

什么是量子计算机？当某个物理装置运算、存储和处理的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

量子计算机是国际研究热点，世界各国的科学家们为之设计了多种技术实现路径。现在进展最快的有3类量子计算机：光量子计算机、超冷原子量子计算机、超导量子计算机。而我国科学家2017年5月3日发布的量子计算机成果有两个，分别属于光量子计算机和超导量子计算机范畴。

光量子计算机

在光量子计算机领域，中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授领导的团队，研制出一种操控5个粒子（即5个光量子比特）的光量子计算原型机。在完成“玻色取样”任务时，它的速度不仅比国际同行之前所有类似实验的最高纪录加快至少24 000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的运行速度快10～100倍。

“玻色取样”是计算复杂度随着粒子数的增加而指数增长的一类数学问题，特别适合用量子计算机来计算。

“与我们这台超越早期经典计算机的量子计算原型机比起来，之前报道过的同类量子计算机只是没法实用的游戏机。”潘建伟说。

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》。审稿人评价称，中国科学家“建造出了第一代量子计算机，是量子计算机中的●ENIAC”。

国际学术界将量子计算机计算能力超过现有经典超级计算机的目标，称为“量子称霸”。中国的这台光量子计算机，是人类历史上第一台超越早期经典计算机的光量子模拟机，為人类最终实现“量子称霸”目标奠定了坚实基础。

“玻色取样”任务中，目前最快的超级计算机能处理约45个粒子。“我们计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵，对玻色取样问题的计算能力就能超越现有最好的商用CPU电子计算机。”潘建伟说。

超导量子计算

在超导体系，2015年，谷歌、美国国家航空航天局（NASA）和加州大学圣塔芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。这个纪录在2017年被中国科学家团队首次打破。中国科学技术大学教授朱晓波、浙江大学教授王浩华的研究团队和陆朝阳、潘建伟等合作，自主研发了10比特超导量子线路样品，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。

“简单地说，我们做出了10量子的超导量子计算机CPU芯片，并用它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。”朱晓波说。目前研究团队正在致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试，并计划于今年年底前发布量子云计算平台。

量子计算：计算机中的“战斗机”

如果把现在传统的电子计算机比作自行车，那么，初试啼声的量子计算机就好比飞机，它未来的计算能力将秒杀传统计算机。

现有的电子计算机，1个物理比特只能存储1个逻辑态——或者0，或者1。而量子计算机利用的是量子的相干叠加原理，可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，1个量子比特（量子信息的计量单位）可以同时存储0和1。

这意味着量子计算机的处理能力将随着比特数的增加而呈指数级上升。量子计算机有N个比特，就可以一次对2的N次方个数进行数学运算，相当于经典计算机算上2的N次方次。

量子计算计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，这可以为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。

“分解300位大数，利用万亿次经典计算机需要15万年，利用万亿次量子计算机只需要1秒。”潘建伟预测，2020年左右超导量子计算机就可以操纵50个量子比特，届时就可以实现“量子称霸”，在处理一些特定问题的能力上超越经典计算机中计算能力最强的超级计算机。他还预计，10年内量子计算机将可能实现对100个粒子的相干操纵，届时它处理特定问题的能力就可以达到现有最强超级计算机的百亿亿倍，或者目前全世界计算能力总和的百万倍。

我国将要启动的人工智能2.0计划中，就有量子人工智能的专门部分，其技术基础就是量子计算机。而在这之前，“我们首先要通过三五年努力，实现量子称霸，让量子计算机在某些特定问题上超越经典超级计算机。”

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指数级增加有多么厉害呢？我们来看个故事吧：传说中有一名宰相发明了国际象棋献给国王，国王问他需要什么奖励时，他说只需要赏赐一些麦子即可：在棋盘上第1个格子里放1颗，第2格放2颗，第3格4颗，此后每一格放的麦子数都是前一格的2倍。国王以为这个赏赐很容易，却发现整个国库的粮食全放进去都不够。原来，国际象棋有64格，那么需要的麦粒总颗数就是2的64次方减1，这大约是140万亿升小麦，需要全世界生产2 000年！

展望未来：遇到难题交给“量子”

量子计算机这么牛，电子计算机还能跟它好好做朋友吗？这是当然，在科学家们眼里，它们是可以“哥俩好”的。

光量子计算机包含3个主要部分。

第一部分是单光子源，在-269 ℃的低温中，这个设备通过激光激发量子点，每次产生一个高品质的单光子，是国际上最高品质和最高效率的单光子源。“目前我们搭建的这个设备是国际上综合性能最优的，产生的单光子品质比国际第二名要高10～100倍。”陆朝阳说。

第二部分是超低损耗光量子线路。单光子通过开关分成5路，通过光纤导入主体设备光学量子网络。研究员操控5个单光子，分别进入光量子网络的16×16矩阵，在矩阵中对光量子进行操作。

第三部分是单光子探测器，探测矩阵中得到的量子计算结果。

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的核心资源，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，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。光量子计算机就是在这个基础上，团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，通过电控可编程的光量子线路构建而成。

顾名思义，量子计算机需要对量子进行高精度的调控，需要极低的温度。三大目前发展最快的量子计算机体系中，光量子计算机可以在室温下运行，但要在-269 ℃的低温中产生单光子；超导量子计算机的CPU芯片可以在常温下展示，但它的真正运行必须在接近绝对零度（-273.15 ℃）的环境中进行；超冷原子量子计算机更不负其名，所需的低温是三者中最低的，最接近绝对零度。

“量子计算机可以实用化，未来全世界会有很多台，但不需要家家都有。”潘建伟说，量子计算机可以和现有的经典计算机配合使用。以现有的手机终端为例，手机就是小型计算机，它要做成低温的量子计算机会很难，也没有必要。“但你可以通过云计算平台，用手机把需要完成的计算任务送到云端，让后台的量子计算机来完成。”

潘建伟表示，传统计算机能算好的问题，量子计算机不需要再去介入。量子计算机瞄准的，是传统计算机不能解决的难题。“比如玻色取样对经典计算机太难了，量子计算机在这方面就显得特别强大。”

当量子计算机实用化以后，它能解决哪些实际应用领域的难题呢？

密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探、人工智能、大数据……总之，那些需要超大计算量的难题，交给量子计算机就对了！