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    中國造出了一臺量子計算機嗎?不,是兩臺

    類別:社會新聞發布人:聯迪發布時間:2017-05-10

    先說結論:

    2017年5月3日,中科院—阿里巴巴量子計算聯合實驗室發布了我國在量子計算領域的最新成果,即一臺10量子比特的超導電路量子計算原型機,以及一臺在“玻色子取樣”計算上超越了早期經典計算機能力的光量子模擬機。兩臺都分別創造了本領域的世界紀錄,使人類離實用性量子計算機夢想又進了一步。研究團隊由中國科學技術大學領銜,浙江大學、中科院物理所等單位參與其中。

    下面說解讀:

    量子計算機利用量子力學中的疊加態原理,能做到真正意義的并行計算,達到傳統計算機無法觸及的計算速度,因此被譽為下一次信息革命的標志。本文將介紹一下量子計算機的分類和進展,讓讀者們有一個整體的印象。

    1、不同物理系統的量子計算機

    物理學家在上個世紀90年代提出了Shor算法和Grover算法等一些量子計算算法,論證了量子計算機的優勢,那么之后最主要的問題就是如何在物理上實現它。有兩個最重要的指標決定著量子計算機的成敗:一個是量子退相干時間,另一個是可擴展性。“退相干”指的是量子相干態與環境作用演化到經典狀態的時間。量子計算必需在量子相干態上進行,因此量子計算機的退相干時間越長越好;“可擴展性”指的是系統上可以增加更多的量子比特,從而才能走向實用化量子計算機。和經典計算機的簡單增加比特不同,量子計算機需要把量子比特都耦合起來,因此難度是指數的,每增加一個比特,難度都要翻番

    這張表展示了不同物理系統量子計算機方案的區別:

    (1)離子阱方案是量子計算機提出最早的方案,用囚禁的離子的能級和振動模式作為量子比特,技術上較為成熟,但可擴展性有限,限制了它向實用化量子計算機的發展。在這個方向上奧地利因斯布魯克大學和美國科羅拉多大學世界領先。

    (2)光量子方案利用的是單光子做量子比特,通過復雜光路系統來做計算。它的退相干時間和可擴展性也有著一定的限制,在這個方向上中國科學技術大學的潘建偉院士團隊一直在世界上領先。

    (3)核磁共振方案用到的是小分子的原子核做量子比特,它有著出色的退相干時間,但是單個分子的大小完全限制了可擴展性。在這個方向上探索量子計算機的努力已經不再是熱點。

    (4)超導電路方案是利用了超導體中的約瑟夫森結來產生量子比特,雖然退相干時間短,但是在可擴展性上一枝獨秀,于是IBM,Google等信息巨頭們大力投資這個方向。Google投資加州大學圣芭芭拉分校(UCSB)的Martinis團隊成立了Google-UCSB聯合實驗室;阿里巴巴集團投資了潘建偉院士團隊,在中國科學技術大學上海研究院成立了中科院—阿里巴巴量子計算聯合實驗室。

    (5)金剛石方案利用金剛石中的色心缺陷(也就是不那么完美的鉆石)做量子比特,在退相干時間和可擴展性上受到了樣品本身的限制。這個方向上中國科學技術大學的杜江峰院士團隊世界領先。

    (6)超冷原子方案與離子阱方案比較相似,可擴展性有限。目前更多的是用來做凝聚態系統的量子模擬,這個領域世界領先的是德國馬普量子光學所,美國JILA,哈佛-麻省理工冷原子中心等。

    還有其它一些物理系統,在可擴展性方面都無法與超導電路相比。物理學家和IT巨頭們都把未來實用化量子計算機的期望寄托在了這個系統上。

    2、通用型量子計算機和專用型量子計算機

    通用型量子計算機指的是利用量子邏輯門控制量子比特來做量子計算。它可以看作是數字化(digital)的量子計算機。理論上證明通過受控非門(CNOT gate)的組合就可以實現任意的量子邏輯過程。未來實用化的量子計算機一般都指這樣的通用型量子計算機。

    但是通用型量子計算機需要大量的量子比特和量子邏輯門,對物理系統的可擴展性要求很高(這也是超導電路方案在通用型中勝出的原因)。同時由于量子比特必需經過邏輯門幺正演化,某種程度上量子疊加態的威力也打了折扣。為了讓更早地讓量子計算機展現出它的優勢,物理學家們想到了針對一些特殊的問題,可以用專用量子計算機來解決。這些專用型量子計算機可以不需要邏輯門,只靠自身系統的特點通過模擬的方式來針對性地解決問題,因此專用型量子計算機也被稱為量子模擬機。

    專用型量子計算機在解決一些問題上已經凸顯了優勢。比如加拿大的D-Wave公司研制的就是用絕熱量子算法的來尋找基態(極小值)的專用型量子計算機,目前最新的D-Wave量子計算機已經聲稱在尋找極小值的問題上超過了所有經典計算機。

    玻色子采樣是另一個特殊問題,它和我們小時候玩過的一種撒小球裝置有點像(見圖1),可以演示統計分布。但區別在于這些小球都換成了不可區分的玻色子,并且在路徑上會發生干涉,那么計算玻色子從入口到出口的概率分布的計算量會隨著玻色子的增加變得非常大,這對經典計算機來說是一個很難的問題。但是一些專用型量子計算機可以用自身的玻色子來直接模擬這個問題,不需要一個個來計算,這樣就具備了很大的優勢。

    ▲圖1、玻色子采樣示意

    中國科學技術大學(中科院-阿里巴巴實驗室)剛剛發布的這臺光量子計算機,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個光量子模擬了玻色子采樣問題。它在這個問題上的計算速度已經超越了早期的經典計算機(比歷史上第一臺電子管計算機(ENIAC)和第一臺晶體管計算機(TRADIC)運行速度快10到100倍)。團隊計劃年底前將干涉的光量子數增加到20,如果未來光量子數增加到50個,將一舉超越目前世界上最快的超級計算機在玻色子采樣問題上的計算速度。

    下面這張表列出了不同的物理系統在通用型量子計算機和專用型量子計算機上的進展,其中標粗體的是5年內的最新成果。通過這張表,可以一目了然地看到Google的量子計算機,IBM的量子計算機,D-Wave的量子計算機,以及中國科學技術大學最新發布的兩臺量子計算機(即標注了中科院-阿里巴巴實驗室)它們之間的關系:

    從這個表中還可以看出一個趨勢,那就是通用型量子計算機已經逐漸形成了超導電路方案的一家獨大,而其它的方案大多都轉向了專用型量子計算機。Google在今年年初提出了“量子霸權”這一目標,力爭年底之前在超導電路上實現49個量子比特的操作。我們自然不甘落后,提出了一個小目標:年底前在超導電路上實現20個量子比特的操作

    這兩臺量子計算機也宣告了中國除了量子通信之外,在量子計算上也同樣處于世界領跑地位。在光量子計算方案上,我們一路領先,朝著更大的玻色子采樣機努力。在超導電路方案上,我們和Google并肩前行,一同向著實用化量子計算機的目標進發。

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