5月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉在上海宣布，中國科研團(tuán)隊成功構(gòu)建光量子計算機(jī)，首次演示了超越早期經(jīng)典計算機(jī)的量子計算能力。
據(jù)潘建偉介紹，這次實驗最重要的是實現(xiàn)了兩大突破：首先，這是由中國科研團(tuán)隊完成的世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)；其次，這也是世界上糾纏數(shù)目最多（10個）的超導(dǎo)量子比特處理器。
這兩大突破背后有何意義？量子計算機(jī)與傳統(tǒng)計算機(jī)有何不同？以及，在量子計算領(lǐng)域，中國與其他國家相比實力如何？在當(dāng)天的新聞發(fā)布會上，潘建偉教授用15張PPT作了解釋。澎湃新聞獲得授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)。
在理解量子計算機(jī)之前，我們首先需要知道什么是量子糾纏和量子疊加原理。按照經(jīng)典計算機(jī)的設(shè)計原理，科學(xué)家們在傳統(tǒng)芯片的晶體管中，用0和1的二進(jìn)制來表示信息。但在量子力學(xué)的世界里，依據(jù)量子的物理性質(zhì)，它能夠呈現(xiàn)疊加狀態(tài)，能同時表示0和1。處于疊加態(tài)的量子比特能以一種叫做量子糾纏的現(xiàn)象相互聯(lián)系，簡單來說，就是一個量子比特的行為能瞬間影響到另一個量子比特。
依據(jù)量子比特的特殊性，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼最早提出了量子計算機(jī)。按照他當(dāng)時的設(shè)想，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象，運(yùn)算時間可大幅度減少。量子計算機(jī)的概念從此誕生。
費(fèi)曼對量子計算機(jī)概念的闡述還有個經(jīng)典的應(yīng)用場景描述：你被要求5分鐘內(nèi)在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個大寫字母“X”，這幾乎是不可能的，因為那里有5000萬冊書。但是如果你處于5000萬個平行現(xiàn)實中，每個現(xiàn)實都可以查看不同的書籍，那么你肯定能在其中某個現(xiàn)實中找到這個“X”。在這個假設(shè)中，普通計算機(jī)就像是前一種情形中瘋子般的那個你，需要在5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計算機(jī)卻能復(fù)制出5000萬個你，每個只需翻找一本書即可。
正是因為量子計算機(jī)有如此“神奇”的作用，除了中國在該領(lǐng)域有研究投入外，美國和歐洲的政府部門、大型科技公司和前沿實驗室都對量子計算產(chǎn)生了極大的興趣。
谷歌、IBM和微軟等公司都已發(fā)布各自的量子計算機(jī)研究計劃。毫無疑問，目前谷歌仍是量子計算領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。此前，谷歌曾宣布將在今年推出49 量子比特的量子計算機(jī)。
潘建偉團(tuán)隊的此次實驗，使得中國的超導(dǎo)體系量子計算機(jī)研究，進(jìn)入世界一流水平行列。首先，這次的光量子計算機(jī)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；通過和經(jīng)典算法比較，這也比人類歷史上第一臺電子管計算機(jī)和第一臺晶體管計算機(jī)運(yùn)行速度快10倍至100倍。
另外，這次研究團(tuán)隊自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，通過發(fā)展全局糾纏操作，成功實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的糾纏和完整的測量。更進(jìn)一步的是，研究團(tuán)隊利用超導(dǎo)量子線路演示了求解線性方程組的量子算法，證明了通過量子計算的并行性加速求解線性方程組的可行性。
10個比特超導(dǎo)線路，也讓該團(tuán)隊在超導(dǎo)體系打破了之前由谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校創(chuàng)下的9個超導(dǎo)量子比特的操縱記錄。
2016年，潘建偉團(tuán)隊首次成功實現(xiàn)“十光子糾纏”。多粒子糾纏操縱作為量子信息處理基本能力的核心指標(biāo)，近年來一直是國際學(xué)界角逐的焦點。操縱的糾纏光子數(shù)目越多，量子信息處理能力就會呈指數(shù)增長，但同時實驗實現(xiàn)的難度也急劇增加。
經(jīng)過努力，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，把比特數(shù)目擴(kuò)展到10個，并制備了10比特的糾纏GHZ態(tài)，保真度大于66%，據(jù)介紹，在目前公開的結(jié)果中，這是超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)中糾纏的數(shù)目最多的。
從最初的3比特，到5比特，到6比特，再到如今的10比特，潘建偉說，此次測試的成功標(biāo)志著中國在超導(dǎo)量子比特集成系統(tǒng)的設(shè)計制備、控制與測量等各方面都打下了堅實的基礎(chǔ)。根據(jù)計劃，潘建偉的研究團(tuán)隊將在今年年底實現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱，20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計、制備和測試，量子計算機(jī)的速度將會成指數(shù)增長。