原标题:做到了这一步,量子计算机的扩展也许指日可待

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作者:孙誉昊 班级:1402019 学号:14020199003

我写过不少关于量子计算的文章,实际上主要是两类:一类是基于量子门的计算,另一类是绝热量子计算。其实还有第三种,叫做“量子行走”。所谓量子行走,用自然界的例子来说,就是光合作用过程中电子转移的工作原理。当前,研究者已经能够催动整块的原子云“齐步走”,实现量子行走。

5月3日,中国科学技术大学陆朝阳教授和学生们在中科院量子信息和量子科技创新研究院上海实验室检查光量子计算机的运行情况。新华社记者
金立旺摄
中国科学院量子信息和量子科技创新研究院5月3日宣布,我国科学家在基于光和超导体系的量子计算机研究方面取得重大突破:在光量子计算机研究中,建造了世界上超越早期经典计算机的光量子计算原型机;在超导量子计算机研究中,实现了世界上纠缠数目最多的超导量子比特处理器。这两项成果分别发表于国际学术期刊《自然·光子学》和《物理评论快报》上。

【嵌牛导读】:5月3日消息,光量子计算机诞生,到底什么是光量子计算机呢?好消息,中国光量子计算机于近日诞生,这将是科学家的一个重大突破。

光可以实现量子行走,但需要配备一台新式计算机来算出每一步。不过,在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质的关系都反过来了。研究人员就是通过这个原理实现了玻色凝聚态下的量子行走。

据中国科学技术大学常务副校长、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院院长潘建伟院士介绍,量子计算在原理上具有超快的并行计算和模拟能力,能解决经典计算机无法解决的大规模计算难题。目前,国际学术界认为基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术最有可能取得突破,我国在这3个方面均有世界领先的表现。

【嵌牛鼻子】:光量子计算机

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光量子计算机

【嵌牛提问】:光量子计算机会为我国科学研究带来哪些帮助?

图为计算机中的玻色-爱因斯坦凝聚模型,类似波的特点清晰可见。

潘建伟介绍,基于光子的量子计算研究是我国的传统优势,在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平——2016年底刷新了世界光子纠缠纪录,提升到十光子纠缠,并自主研发了世界上最高品质和最高效率的量子点单光子源。

【嵌牛正文】:5月3日,科技界迎来了一个振奋人心的消息:世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生!这标志着我国的量子计算机研究领域已迈入世界一流水平行列。据悉,该光量子计算机是由中科大、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发的,是货真价实的“中国造”。

三类量子计算机

潘建伟说:“在前期工作的基础上,我们构建了针对多光子‘玻色取样’任务的光量子计算原型机。”他解释,科学家们把“玻色取样”这一任务看成是测试计算能力的一个“竞赛项目”,“玻色取样”的计算量非常大,超级计算机难以完成。

进入正题之前,我想先对不同类型的量子计算机做一番简要的比较。量子门是大家最熟悉的,就是通过一个量子门的集合来完成严谨的逻辑运算,末端读出结果。

“但光量子计算机在这方面有着突出优势。”潘建伟介绍,实验测试表明,此次发明的光量子计算机进行“玻色取样”速度,比国际同行之前类似的所有实验加快至少24000倍。同时,通过和经典算法比较,其比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍。

绝热量子计算则不涉及严谨运算,而是将问题转化为实现某一能量景观的最低能耗,打个比方,解决方案就在丘壑地区的深谷之中。思路是这样的:先从一片平滑的碗状地带入手,逐渐制造出“山陵”,直至量子位落入最深的“谷底”,计算结束。读出量子位的值,问题就解决了。

“这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算目标奠定了坚实基础。”潘建伟介绍,研究团队计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵,“这将是光量子计算机的重大飞跃”。

量子计算机是指利用量子相干叠加原理,理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。如果将传统计算机比作自行车,量子计算机就好比飞机。使用亿亿次的“天河二号”超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组,所需时间为100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组,仅需0.01秒。

而量子行走跟量子门、绝热计算都不一样。对于量子行走来说,问题转化为一系列的线路。一个量子态将同时出现在所有可能的线路中,但各条线路会相互干涉,而包含了答案的那条线路出现量子态的概率更高,其他线路的概率则较低。换而言之,先放进一个微观物体——比方说一个光子,然后测量光子出现的位置,就能找到答案。

超导量子计算机

据中科院院士潘建伟介绍,研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,构建出光量子计算原型机,该原型机的“玻色取样”速度比业界快了2.4万倍。通过和经典算法比较发现,这台光量子计算原型机比人类首台电子管计算机(ENIAC)和首台晶体管计算机(TRADIC)运行速度提高10至100倍。预计在2017年底,研究团队将实现约20个光量子比特的操纵。

此时的思路是这样的:制造一套相互关联的线路,将有待解决的问题编入其中。如果说一个光子是一个量子位,那么光纤就是实现上述方案的材料。先使光纤相互耦合,确保量子位沿多条线路游走并自我干涉。耦合的强度决定了每一根光纤中光子的“数量”,而光纤的长度决定了干涉的性质是有益还是有害。

潘建伟介绍,基于超导线路体系的量子计算机比较容易集成,被认为是比较容易取得突破的研究方向,也是国际量子计算机研究竞争的热点。2015年,谷歌、美国国家航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。

光的量子行走固然好,但每一根光纤须得维持不变:光纤的长度以及不同光纤之间的耦合强度无法及时调整。说到底,这种基于光学量子行走的计算机,缺少可编程的因素。

“现在,这个纪录被我们打破了!”据潘建伟介绍,由中国科学技术大学教授陆朝阳、朱晓波、潘建伟,浙江大学教授王浩华等合作,自主研发了10比特超导量子比特处理器,“可以简单类比为传统电脑的芯片”,通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作,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。

像光一样流动的物质

同时,研究团队用这一处理器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。“药物筛选、星体运动规律、气象预报等很多问题其实都可以归结为线性方程问题。而这也就说明,基于超导线路体系的量子计算机有很强的应用前景。”

此外,在超导体系,该研究团队打破了由美国保持的9个量子比特操纵记录,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。

在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质扮演的角色可以互换。所谓玻色凝聚,指处在同一量子态的冷原子的集合。简而言之,该集合的行为就像单个粒子一样整齐划一。这时候如果用脉冲光对其加以轰击,这颗“粒子”将以一定频率震颤,导致漂移。至于漂移的方向,取决于玻色凝聚的内部状态。

潘建伟介绍,研究团队目前正致力于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。“我们预计10年左右能够实现对100个粒子的相干操纵,其针对某些特定问题的计算能力是目前全世界计算能力总和的百万倍。对此,我们很有信心!”

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(原载于《光明日报》 2017-05-0406版)

玻色凝聚的内部状态是由微波脉冲设定的。比方说,适当的微波脉冲会令玻色凝聚态处在两种量子态的叠加态。此时如果再用激光脉冲加以轰击,玻色凝聚就必然因叠加态而同时向两个方向移动。

两年前,阿里巴巴和中科院合作成立了亚洲首个量子计算实验室,开展在量子信息科学领域的前瞻性研究,探索超越经典计算机的下一代超快计算技术。双方很快就取得了优异的成绩,将量子计算从学术带到了现实世界。在今年3月的深圳云栖大会上,阿里云公布了全球首个云上量子加密通讯案例,通过建立多个量子安全传输域,为客户提供无条件安全数据传输服务。

研究者证实,只要依次施以微波和激光脉冲,就能像经验丰富的弹球玩家一样,随意控制玻色凝聚的空间线路。不同的是,这里是量子弹球——每当玻色凝聚撞到反弹杠,就会同时向多个方向反弹,再撞到更多的反弹杠。更复杂的是,量子弹球会穿越不同的线路,再在各类节点重新组合。线路交叉之处,玻色凝聚发生自我干涉。干涉会导致在某些线路上找到玻色凝聚的概率降低,而在另一些线路上的概率上升。量子计算恰好需要这个。

在不久前的一场技术大会上,马云宣布启动阿里巴巴的“NASA计划”,并说“现在所研究的目标是为了解决10年、20年后的困难。”量子计算就是阿里巴巴解决20年后计算资源稀缺的秘密武器。

把光变成固体

光的量子行走尚且需要玻璃纤维以固定的方式、(在交汇点上)以固定的长度相互耦合,而玻色凝聚则更为灵活。脉冲光可以推动玻色凝聚在自由空间行动,而微波脉冲则如同各条线路之间的耦合器。脉冲光的数量,决定了行动线路的长度;而微波脉冲的强度,则决定了各条线路的耦合性。这是重点。

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预计到2025年,量子计算将达到当今世界最快的超级计算机的水平,将应用于一些目前无法解决的重大科技难题。

玻色凝聚态下,量子行走的路线是可编程的。因为光也好,微波脉冲也好,都不是一成不变,可以随时调整。

中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学教授王浩华研究组,近期在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列突破性进展。

只不过,这样的计算机还没造出来。科学家虽已证明了对单个玻色凝聚实现量子行走的可能,但还没有证明他们能够在量子行走中对某个问题进行编码。

www.yzc579.com,在光学体系方面,研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。在超导体系方面,研究团队打破了之前由谷歌、美国国家航空航天局(NASA)和加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)公开报道的九个超导量子比特的操纵,实现了目前世界上最大数目的十个超导量子比特的纠缠,并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。

据我所知,在量子行走中对问题进行编码,难度不小。必须设定好各个微波脉冲、分别对应不同行走线路,才能造出计算机。再以光纤为例。在光学量子行走中,如果光子同时进入左右两条线路,那么左边那条线路就会受制于右边那条线路的长度和耦合度。但是,在玻色凝聚中,不同线路之间相距无几,根本不能使微波脉冲对准具体任何一条。换句话说,微波源将不可避免地修改整个玻色凝聚的内部状态。

话说回来,现在毕竟有了好的开端。玻色凝聚态下的量子行走,有利于将量子门和绝热计算的优势结合起来。其一,玻色凝聚是在真空洁净环境下,靠的是中性原子,有可能形成高度可靠、长期存在的量子位。在这个意义上,玻色凝聚更像是离子阱量子计算机。其二,它既有望解决更复杂的难题,又不必专门处理大量的量子位,倒更像是绝热量子计算的方法,发展前景可期。

本文作者Chris Lee系荷兰方堤斯应用科学大学教师。

相关系列成果发表于国际学术期刊《自然-光子学》和《物理评论快报》上。

翻译:李芜

量子计算利用量子相干叠加原理,在原理上具有超快的并行计算和模拟能力,计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,可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。一台操纵50个微观粒子的量子计算机,对特定问题的处理能力可超过超级计算机。

校对:李莉

编辑:颖仔

来源:arstechnica

量子计算技术主要通过发展高精度、高效率的量子态制备与相互作用控制技术,实现规模化量子比特的相干操纵。由于其巨大的潜在价值,欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源,开展协同攻关,同时,谷歌、微软、IBM等大型高科技公司也强势介入量子计算研究。

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多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点,一直是国际角逐的焦点。在光子体系方面,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年底把纪录刷新至十光子纠缠。在此基础上,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,构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。

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实验测试表明,该原型机的“玻色取样”不仅比之前国际同行所有类似实验提速至少24000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)运行速度快10-100倍。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》。

这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一被国际学术界称为“量子称霸”的目标,奠定了坚实的基础。朝着这一目标,潘建伟团队计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵。

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在超导体系方面,2015年,谷歌、NASA和UCSB宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵,这一记录在2017年被中国科学家团队首次打破。朱晓波、王浩华和陆朝阳、潘建伟等合作,自主研发了10比特超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作,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十比特量子态。

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研究团队进一步利用超导量子线路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,相关成果即将发表于《物理评论快报》。研究团队目前正致力于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。

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