5月3日，中國科學(xué)院在上海召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)在我國誕生。
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，在基于光子和超導(dǎo)體系的量子計(jì)算機(jī)研究方面取得了系列突破性進(jìn)展。
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，在基于光子和超導(dǎo)體系的量子計(jì)算機(jī)研究方面取得了系列突破性進(jìn)展。
成果一：世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)
在光學(xué)體系，潘建偉團(tuán)隊(duì)在去年首次實(shí)現(xiàn)十光子糾纏操縱的基礎(chǔ)上，利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構(gòu)建了針對(duì)多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該原型機(jī)的“玻色取樣”不僅比之前國際同行所有類似實(shí)驗(yàn)提速至少24000倍，同時(shí)，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）運(yùn)行速度快10-100倍。
這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，潘建偉團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個(gè)光量子比特的操縱。
圖 基于單光子的量子計(jì)算原型機(jī)結(jié)構(gòu)
成果二：世界上糾纏數(shù)目最多（10個(gè)）的超導(dǎo)量子比特處理器
在超導(dǎo)體系，朱曉波、王浩華和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，打破了之前由谷歌、NASA和UCSB公開報(bào)道的9個(gè)超導(dǎo)量子比特的操縱，實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目（10個(gè)）超導(dǎo)量子比特的糾纏，并在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法。
研究團(tuán)隊(duì)正在致力于20個(gè)超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測(cè)試，并計(jì)劃于今年年底前發(fā)布量子云計(jì)算平臺(tái)。
圖 10超導(dǎo)量子比特的糾纏態(tài)
量子計(jì)算研究：國際角逐的焦點(diǎn)
量子計(jì)算機(jī)是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律，進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置，其運(yùn)行的是量子算法，處理速度驚人，比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快數(shù)十億倍。人們研究量子計(jì)算機(jī)很重要的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是探索通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算極限。
目前，國際學(xué)術(shù)界在基于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路體系的量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展上總體較為領(lǐng)先。由于量子計(jì)算的巨大潛在價(jià)值，歐美各國都在積極投入研究力量，同時(shí)，大型高科技公司如微軟、IBM、谷歌等也強(qiáng)勢(shì)介入量子計(jì)算研究。
Google的“超導(dǎo)量子”
2014年，Google和美國國家航天局（NASA）聯(lián)合成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室（QuAIL），同年Google正式成立超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室。Google使用的是超導(dǎo)電路方案，原則上可以無限制擴(kuò)展。
圖 谷歌的“D-Wave”
2016 年6月，位于加州圣芭芭拉的Google研究實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)圣芭芭拉分校和西班牙巴斯克大學(xué)的研究人員在《自然》雜志上介紹了他們合作研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)原型。在研究中，Google的團(tuán)隊(duì)采用了9個(gè)固態(tài)量子位。
IBM亦青睞“超導(dǎo)量子”
今年3月6日，IBM宣布建造業(yè)內(nèi)首個(gè)商業(yè)上可行的通用量子計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)劃，這一量子計(jì)算系統(tǒng)旨在解決傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)無法解決的重大問題，最早和最有前途的應(yīng)用會(huì)在化學(xué)領(lǐng)域。
IBM公司稱，取名為“IBM Q”的量子計(jì)算系統(tǒng)及其服務(wù)將通過IBM云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。該公司希望在今后幾年打造有50個(gè)量子比特的商用“IBM Q”系統(tǒng)，以展示超越傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)算能力。IBM還將與行業(yè)伙伴開展協(xié)作，開發(fā)能利用量子計(jì)算的應(yīng)用。
圖 “IBM Q”量子計(jì)算系統(tǒng)
微軟的“拓?fù)淞孔?rdquo;
2005年，微軟投巨資在美國圣巴巴巴拉大學(xué)設(shè)立了研究中心，研究拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。
2017年，微軟表示將著手量子計(jì)算工程樣機(jī)研發(fā)，并宣稱這可能是一臺(tái)能擊敗谷歌和IBM的量子計(jì)算機(jī)樣機(jī)。與谷歌和IBM使用超導(dǎo)導(dǎo)線環(huán)作為量子比特不同，微軟的思路是基于一種被稱為“任意子”（anyons）的粒子，這種粒子只能存在于二維空間，具有奇異的物理特性。
微軟采用的“拓?fù)淞孔佑?jì)算”方案，基于一種被稱為“拓?fù)淞孔颖忍?rdquo;的量子信息單位。微軟團(tuán)隊(duì)相信拓?fù)淞孔颖忍啬軌蚋玫貞?yīng)對(duì)溫度、電噪聲等因素的干擾，從而長時(shí)間保持量子狀態(tài)，更具實(shí)用性、穩(wěn)定性和工作效率。
英特爾的“硅量子點(diǎn)”
2015 年，英特爾宣布將向荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的量子技術(shù)研究項(xiàng)目投資 5000 萬美元。英特爾專注于硅量子點(diǎn)技術(shù)（silicon quantum dots），它經(jīng)常被稱作“人造原子”。一個(gè)量子點(diǎn)是一塊極小的材料，像原子一樣，它身上電子的量子態(tài)可以用 0 或 1 來表示。不同于離子或原子，量子點(diǎn)不需要激光來囚禁它。
但是基于硅的量子比特研究，大大落后于囚禁離子和超導(dǎo)量子技術(shù)。去年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)才完成兩個(gè)量子比特的邏輯門。
當(dāng)人工智能（AI）遇上量子計(jì)算
就在今年，一名神秘棋手Master挑戰(zhàn)人類圍棋頂尖高手，Master竟以60∶0的成績完勝。谷歌公司隨后宣布，Master就是AI機(jī)器人AlphaGO的改進(jìn)型，是其“深心（DeepMind）計(jì)劃”的一部分。
人工智能如此強(qiáng)大，它的能力來源是什么？
人工智能的根本動(dòng)力與核心資源是計(jì)算能力，說到計(jì)算能力，不得不提量子。量子計(jì)算也被稱為人工智能協(xié)助處理器，非常適合AI及機(jī)器的深度學(xué)習(xí)。一般情況下，AI中的代碼是靜態(tài)的，哪怕結(jié)果是錯(cuò)誤的，普通算法也不會(huì)自己修改。而量子計(jì)算機(jī)則不然，系統(tǒng)能夠自動(dòng)設(shè)定程序，自行修改代碼，并通過不斷學(xué)習(xí)來處理之前從未遇到的新數(shù)據(jù)。如果說傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只有一根筋，那量子計(jì)算機(jī)則靈活多變。
早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)與超級(jí)計(jì)算機(jī)
1946年，世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)ENIAC誕生，它包含了17468根真空管（電子管），7200根晶體二極管，計(jì)算速度為5000次/秒加法或400次/秒乘法，是使用繼電器運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)電式計(jì)算機(jī)的1000倍、手工計(jì)算的20萬倍。
1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一臺(tái)使用晶體管線路的計(jì)算機(jī)——TRADIC，裝有800個(gè)晶體管。計(jì)算速度從每秒幾百次提高到幾千次。
2016年法蘭克福世界超算大會(huì)上，我國 “神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)登頂榜單之首。該計(jì)算機(jī)安裝了40960個(gè)中國自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器，峰值性能為12.5億億次/秒，持續(xù)性能為9.3億億次/秒。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)器件的原理，熱耗散不可避免，這是原理上決定的。譬如買到早期計(jì)算機(jī)有一個(gè)風(fēng)扇散熱，你做的集成度越高，熱耗越嚴(yán)重。但量子計(jì)算原理上保持可逆計(jì)算，沒有熱耗散，可以在里面自循環(huán)，沒有熱耗散是未來量子計(jì)算是一個(gè)比較好的前景和方向。
量子計(jì)算機(jī)不僅能處理海量數(shù)據(jù)，更具備自我學(xué)習(xí)和自我更正能力。從這一點(diǎn)來看，量子計(jì)算對(duì)人工智能能夠起到重要的促進(jìn)作用，為人工智能的發(fā)展帶來質(zhì)的飛躍。
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