壯哉！“中國造”光量子計算機(jī)誕生

　　計算機(jī)作為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，隨著摩爾定律邁向終結(jié)，性能提升面臨瓶頸。后摩爾定律時代，我們又要通過什么途徑提高運(yùn)算速度呢?答案是量子計算。量子計算機(jī)具有強(qiáng)大的計算能力，可以解決傳統(tǒng)計算機(jī)難以或者不能解決的問題。

　　就在今天，科技界迎來了一則重磅消息：世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)誕生。中國科學(xué)院5月3日在上海舉行新聞發(fā)布會，對外發(fā)布了這一消息，這個“世界首臺”是貨真價實的“中國造”，屬中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組攻關(guān)突破的成果。

　　量子計算機(jī)是指利用量子相干疊加原理，理論上具有超快的并行計算和模擬能力的計算機(jī)。研究團(tuán)隊還實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。

　　據(jù)介紹，潘建偉、陸朝陽等利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點單光子源，并通過電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計算原型機(jī)。

　　實驗測試表明，該原型機(jī)的取樣速度比國際同行類似的實驗加快至少24000倍，同時，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機(jī)(ENIAC)和第一臺晶體管計算機(jī)(TRADIC)運(yùn)行速度快10-100倍。

　　潘建偉稱，這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典計算能力的量子計算奠定了基礎(chǔ)。

　　量子計算機(jī)的誕生

　　量子計算機(jī)的誕生，是摩爾定律發(fā)展到一定階段的結(jié)果，也與物理學(xué)家們提出的設(shè)想有關(guān)。

　　摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)是不斷提高電子芯片的集成度(單位芯片的晶體管數(shù))。集成度不斷提高，速度就不斷加快，我們的手機(jī)、電腦就能不斷更新?lián)Q代。

　　但在物理學(xué)家們看來，摩爾定律的技術(shù)基礎(chǔ)，天然地受到兩個主要物理限制。

　　一是隨著單位芯片上晶體管數(shù)越來越多，運(yùn)行時計算機(jī)溫度必然迅速上升，必須消耗大量能量來散熱，否則芯片將被燒壞。

　　二是為了提高集成度，晶體管越做越小，當(dāng)小到只有一個電子時，量子效應(yīng)就會出現(xiàn)。電子將不再受歐姆定律管轄，由于它有隧道效應(yīng)，本來無法穿過的壁壘也穿過去了，所以量子效應(yīng)會阻礙信息技術(shù)繼續(xù)按照摩爾定律發(fā)展。

　　這兩個限制就是物理學(xué)家們預(yù)言摩爾定律會終結(jié)的理由所在。而這就提出了一個問題:在后摩爾時代，提高運(yùn)算速度的途徑是什么?答案是量子計算。

　　量子計算機(jī)成長史

　　史蒂芬·威斯納在1969年最早提出“基于量子力學(xué)的計算設(shè)備”。1980年代一系列的研究使得量子計算機(jī)的理論變得豐富起來。在1981年五月的MIT物理學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的一次會議上，1918年出生的美國物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼，作了一個“Simulating Physics With Computers”的報告，揭開了研究發(fā)展量子計算機(jī)的新篇章。

　　大事記

　　1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費(fèi)曼提出“量子計算機(jī)”的概念。

　　1994年，貝爾實驗室的彼得·秀爾證明量子計算機(jī)能夠完成對數(shù)運(yùn)算，且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計算機(jī)。

　　1997年，科學(xué)家首次用一對糾纏光子實現(xiàn)了量子信息傳輸。

　　2005年，世界第一臺量子計算機(jī)原型機(jī)在美國誕生，基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

　　2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)。

　　2007年，維也納大學(xué)的安東·齊林格和他的同事們用一對糾纏光子在加那利群島的兩個島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過了143千米。

　　2009年11月15日，世界首臺可編程的通用量子計算機(jī)正式在美國誕生。不過根據(jù)初步的測試程序顯示，該計算機(jī)還存在部分難題需要進(jìn)一步解決和改善。

　　2010年1月，美國哈佛大學(xué)和澳洲昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計算機(jī)準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。

　　2010年3月，德國于利希研究中心發(fā)表公報：該中心的超級計算機(jī)JUGENE成功模擬了42位的量子計算機(jī)。

　　2012年3月，IBM做到了在減少基本運(yùn)算誤差的同時，保持量子比特的量子機(jī)械特性完整性。

　　2013年5月，德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的科學(xué)家格哈德·瑞普領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，首次成功地實現(xiàn)了用單原子存儲量子信息——將單個光子的量子狀態(tài)寫入一個銣原子中，經(jīng)過180微秒后將其讀出。最新突破有望助力科學(xué)家設(shè)計出功能強(qiáng)大的量子計算機(jī)，并讓其遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“量子網(wǎng)絡(luò)”。

　　2013年6月8日，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的量子光學(xué)和量子信息團(tuán)隊的陸朝陽、劉乃樂研究小組，在國際上首次成功實現(xiàn)了用量子計算機(jī)求解線性方程組的實驗。

　　2014年1月3日，美國國家安全局(NSA)正在研發(fā)一款用于破解加密技術(shù)的量子計算機(jī)，希望破解幾乎所有類型的加密技術(shù)。

　　2015年12月，以杜教授為首的中國科技大學(xué)研究人員小組建立了一個新的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以使用相應(yīng)的方式退出體系結(jié)構(gòu)。其量子計算能夠在普通室溫的條件下工作，這是借助于金剛石中少量的氮來完成的，金剛石建成世界上首臺量子計算機(jī)。

　　2016年8月最新一期的物理領(lǐng)域重要期刊《自然·光子學(xué)》在線發(fā)表的一個重要成果：中科院量子信息重點實驗室李傳鋒教授研究組研制出一種全新的量子計算機(jī)——非局域性量子模擬器。