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    中国造出了一台量子计算机吗?不,是两台

    类别:社会新闻发布人:联迪发布时间:2017-05-10

    先说结论:

    2017年5月3日,中科院—阿里巴巴量子计算联合实验室发布了我国在量子计算领域的最新成果,即一台10量子比特的超导电路量子计算原型机,以及一台在“玻色子取样”计算上超越了早期经典计算机能力的光量子模拟机。两台都分别创造了本领域的世界纪录,使人类离实用性量子计算机梦想又进了一步。研究团队由中国科学技术大学领衔,浙江大学、中科院物理所等单位参与其中。

    下面说解读:

    量子计算机利用量子力学中的叠加态原理,能做到真正意义的并行计算,达到传统计算机无法触及的计算速度,因此被誉为下一次信息革命的标志。本文将介绍一下量子计算机的分类和进展,让读者们有一个整体的印象。

    1、不同物理系统的量子计算机

    物理学家在上个世纪90年代提出了Shor算法和Grover算法等一些量子计算算法,论证了量子计算机的优势,那么之后最主要的问题就是如何在物理上实现它。有两个最重要的指标决定着量子计算机的成败:一个是量子退相干时间,另一个是可扩展性。“退相干”指的是量子相干态与环境作用演化到经典状态的时间。量子计算必需在量子相干态上进行,因此量子计算机的退相干时间越长越好;“可扩展性”指的是系统上可以增加更多的量子比特,从而才能走向实用化量子计算机。和经典计算机的简单增加比特不同,量子计算机需要把量子比特都耦合起来,因此难度是指数的,每增加一个比特,难度都要翻番

    这张表展示了不同物理系统量子计算机方案的区别:

    (1)离子阱方案是量子计算机提出最早的方案,用囚禁的离子的能级和振动模式作为量子比特,技术上较为成熟,但可扩展性有限,限制了它向实用化量子计算机的发展。在这个方向上奥地利因斯布鲁克大学和美国科罗拉多大学世界领先。

    (2)光量子方案利用的是单光子做量子比特,通过复杂光路系统来做计算。它的退相干时间和可扩展性也有着一定的限制,在这个方向上中国科学技术大学的潘建伟院士团队一直在世界上领先。

    (3)核磁共振方案用到的是小分子的原子核做量子比特,它有着出色的退相干时间,但是单个分子的大小完全限制了可扩展性。在这个方向上探索量子计算机的努力已经不再是热点。

    (4)超导电路方案是利用了超导体中的约瑟夫森结来产生量子比特,虽然退相干时间短,但是在可扩展性上一枝独秀,于是IBM,Google等信息巨头们大力投资这个方向。Google投资加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)的Martinis团队成立了Google-UCSB联合实验室;阿里巴巴集团投资了潘建伟院士团队,在中国科学技术大学上海研究院成立了中科院—阿里巴巴量子计算联合实验室。

    (5)金刚石方案利用金刚石中的色心缺陷(也就是不那么完美的钻石)做量子比特,在退相干时间和可扩展性上受到了样品本身的限制。这个方向上中国科学技术大学的杜江峰院士团队世界领先。

    (6)超冷原子方案与离子阱方案比较相似,可扩展性有限。目前更多的是用来做凝聚态系统的量子模拟,这个领域世界领先的是德国马普量子光学所,美国JILA,哈佛-麻省理工冷原子中心等。

    还有其它一些物理系统,在可扩展性方面都无法与超导电路相比。物理学家和IT巨头们都把未来实用化量子计算机的期望寄托在了这个系统上。

    2、通用型量子计算机和专用型量子计算机

    通用型量子计算机指的是利用量子逻辑门控制量子比特来做量子计算。它可以看作是数字化(digital)的量子计算机。理论上证明通过受控非门(CNOT gate)的组合就可以实现任意的量子逻辑过程。未来实用化的量子计算机一般都指这样的通用型量子计算机。

    但是通用型量子计算机需要大量的量子比特和量子逻辑门,对物理系统的可扩展性要求很高(这也是超导电路方案在通用型中胜出的原因)。同时由于量子比特必需经过逻辑门幺正演化,某种程度上量子叠加态的威力也打了折扣。为了让更早地让量子计算机展现出它的优势,物理学家们想到了针对一些特殊的问题,可以用专用量子计算机来解决。这些专用型量子计算机可以不需要逻辑门,只靠自身系统的特点通过模拟的方式来针对性地解决问题,因此专用型量子计算机也被称为量子模拟机。

    专用型量子计算机在解决一些问题上已经凸显了优势。比如加拿大的D-Wave公司研制的就是用绝热量子算法的来寻找基态(极小值)的专用型量子计算机,目前最新的D-Wave量子计算机已经声称在寻找极小值的问题上超过了所有经典计算机。

    玻色子采样是另一个特殊问题,它和我们小时候玩过的一种撒小球装置有点像(见图1),可以演示统计分布。但区别在于这些小球都换成了不可区分的玻色子,并且在路径上会发生干涉,那么计算玻色子从入口到出口的概率分布的计算量会随着玻色子的增加变得非常大,这对经典计算机来说是一个很难的问题。但是一些专用型量子计算机可以用自身的玻色子来直接模拟这个问题,不需要一个个来计算,这样就具备了很大的优势。

    ▲图1、玻色子采样示意

    中国科学技术大学(中科院-阿里巴巴实验室)刚刚发布的这台光量子计算机,就是利用了光量子本身是玻色子的特性,直接在光路上用5个光量子模拟了玻色子采样问题。它在这个问题上的计算速度已经超越了早期的经典计算机(比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到100倍)。团队计划年底前将干涉的光量子数增加到20,如果未来光量子数增加到50个,将一举超越目前世界上最快的超级计算机在玻色子采样问题上的计算速度。

    下面这张表列出了不同的物理系统在通用型量子计算机和专用型量子计算机上的进展,其中标粗体的是5年内的最新成果。通过这张表,可以一目了然地看到Google的量子计算机,IBM的量子计算机,D-Wave的量子计算机,以及中国科学技术大学最新发布的两台量子计算机(即标注了中科院-阿里巴巴实验室)它们之间的关系:

    从这个表中还可以看出一个趋势,那就是通用型量子计算机已经逐渐形成了超导电路方案的一家独大,而其它的方案大多都转向了专用型量子计算机。Google在今年年初提出了“量子霸权”这一目标,力争年底之前在超导电路上实现49个量子比特的操作。我们自然不甘落后,提出了一个小目标:年底前在超导电路上实现20个量子比特的操作

    这两台量子计算机也宣告了中国除了量子通信之外,在量子计算上也同样处于世界领跑地位。在光量子计算方案上,我们一路领先,朝着更大的玻色子采样机努力。在超导电路方案上,我们和Google并肩前行,一同向着实用化量子计算机的目标进发。

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