經濟日報原標題：量子計算“稱霸”在望——記世界首臺超越早期經典電腦的光量子電腦在中國誕生
世界首臺超越早期經典電腦的光量子電腦已在中國誕生，中科院量子資訊和量子科技創新研究院5月3日在上海發佈的這個消息驚動了世界。
這是一台什麼樣的電腦？傳説中可“秒殺”現有電腦的量子電腦何時能走入現實？請看《經濟日報》記者從上海發回的報道。
中國量子：奠定“量子稱霸”基礎
什麼是量子電腦？當某個物理裝置運算、存儲和處理的是量子資訊，運作的是量子演算法時，它就是量子電腦。
量子電腦是國際研究熱點，世界各國的科學家們為之設計了多種技術實現路徑，其中，國際學術界在基於光子、超冷原子和超導線路這3種體系的量子計算技術發展上總體較為領先。也就是説，現在進展最快的有3類量子電腦：光量子電腦、超冷原子量子電腦、超導量子電腦。
我國科學家5月3日發佈的量子電腦成果，其實是兩個，分別屬於光量子電腦和超導量子電腦範疇。
在光量子電腦領域，中國科學技術大學潘建偉院士、陸朝陽教授領導的團隊，研製出一種操控5個粒子（即5個光量子比特）的光量子計算原型機，在完成“玻色取樣”任務時，它的速度不僅比國際同行之前所有類似實驗的最高紀錄加快至少24000倍，同時，通過和經典演算法比較，也比人類歷史上第一台電子管電腦ENIAC和第一台電晶體電腦TRADIC的運作速度快10倍—100倍。
“玻色取樣”是計算複雜度隨著粒子數的增加而指數增長的一類數學問題，特別適合用量子電腦來計算。
“與我們這臺超越早期經典電腦的量子計算原型機比起來，之前報道過的同類量子電腦只是沒法實用的遊戲機。”潘建偉説。
5月2日，該研究成果以長文的形式線上發表于《自然·光子學》。審稿人評價稱，中國科學家“建造出了第一代量子電腦，是量子電腦中的ENIAC”（ENIAC是人類歷史上第一台電子管電腦）。
國際學術界將量子電腦計算能力超過現有經典超級電腦的目標，稱為“量子稱霸”。中國的這臺光量子電腦，是人類歷史上第一台超越早期經典電腦的光量子模擬機，為人類最終實現“量子稱霸”目標奠定了堅實基礎。
“玻色取樣”任務中，目前最快的超級電腦能處理約45個粒子。“我們計劃在今年年底實現大約20個光量子比特的操縱，對玻色取樣問題的計算能力就能超越現有最好的商用CPU電子電腦。”潘建偉説。
在超導量子電腦領域，我國科學家也取得了重大突破。
在超導體系，2015年，谷歌、美國航空航太局和加州大學聖芭芭拉分校宣佈實現了9個超導量子比特的高精度操縱。這個記錄在2017年被中國科學家團隊首次打破。中國科學技術大學教授朱曉波、浙江大學教授王浩華的研究團隊和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發了10比特超導量子線路樣品，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特的多體純糾纏，並通過層析測量方法完整地刻畫了10比特量子態。
“簡單地説，我們做出了10個量子的超導量子電腦CPU晶片，並用它演示了求解線性方程組的量子演算法，證明了通過量子計算的並行性加速求解線性方程組的可行性。”朱曉波告訴記者，相關量子演算法的成果已經過審，即將發表于《物理評論快報》。目前研究團隊正在致力於20個超導量子比特樣品的設計、製備和測試，並計劃於今年年底前發佈量子云計算平臺。
量子計算：電腦中的“戰鬥機”
如果把現在傳統的電子電腦比作自行車，那麼，量子電腦就好比飛機。量子電腦為何可以成為電腦界的“戰鬥機”？這與它的計算原理密切相關。
現有的電子電腦，1個物理比特只能存儲1個邏輯態——或者0，或者1。而量子電腦利用的是量子的相干疊加原理，可以製備在兩個邏輯態0和1的相干疊加態，換句話講，1個量子比特可以同時存儲0和1。
這意味著什麼呢？意味著量子電腦的處理能力將隨著比特數的增加而呈指數級上升。量子電腦有N個比特，就可以一次對2的N次方個數進行數學運算，相當於經典電腦算上2的N次方次。
量子計算計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長，這可以為經典電腦無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案。
“分解300位大數，利用萬億次經典電腦需要15萬年，利用萬億次量子電腦只需要1秒。”潘建偉預測，2020年左右超導量子電腦就可以操縱50個量子比特，屆時就可以實現“量子稱霸”，在處理一些特定問題的能力上超越經典電腦中計算能力最強的超級電腦。10年內量子電腦將可能實現對100個粒子的相干操縱，屆時它處理特定問題的能力就可以達到現有最強超級電腦的百億億倍，或者目前全世界計算能力總和的百萬倍。
正是由於量子計算的巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展協同攻關，同時，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強勢介入量子計算研究。
中國科學家也加入了這場角逐，並取得了相當亮眼的成果，並對下一步發展進行了部署。
潘建偉介紹，我國將要啟動的人工智慧2.0計劃中，就有量子人工智慧的專門部分，其技術基礎就是量子電腦。而在這之前，“我們首先要通過三五年努力，實現量子稱霸，讓量子電腦在某些特定問題上超越經典超級電腦”。
展望未來：遇到難題交給“量子”
在實驗室裏，陸朝陽帶記者參觀了光量子電腦。
光量子電腦包含3個主要部分。第一部分是單光子源，在零下269攝氏度的低溫中，這個設備通過鐳射激發量子點，每次産生一個高品質的單光子，是國際上最高品質和最高效率的單光子源。“目前我們搭建的這個設備是國際上綜合性能最優的，産生的單光子品質比國際第二名要高10到100倍。”陸朝陽自豪地説。
第二部分是超低損耗光量子線路。單光子通過開關分成5路，通過光纖導入主體設備光學量子網路。
第三部分是單光子探測器，探測矩陣中得到的量子計算結果。
多粒子糾纏的操縱作為量子計算的核心資源，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在多光子糾纏領域始終保持著國際領先水準，並於2016年底把紀錄刷新至10光子糾纏。光量子電腦就是在這個基礎上，團隊利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源，通過電控可編程的光量子線路構建而成。
顧名思義，量子電腦需要對量子進行高精度調控，這需要極低的溫度。目前發展最快的三大量子電腦體系中，光量子電腦可以在室溫下運作，但要在零下269攝氏度的低溫中産生單光子；超導量子電腦的CPU晶片可以在常溫下展示，但它的真正運作必須在接近絕對零度（零下273.15攝氏度）的環境中進行；超冷原子量子電腦更不負其名，所需的低溫是三者中最低的，最接近絕對零度。
“量子電腦可以實用化，未來全世界會有很多臺，但不需要家家都有。”潘建偉説，量子電腦可以和現有的經典電腦配合使用。以現有的手機終端為例，手機就是小型電腦，它要做成低溫的量子電腦，會很難、也沒有必要。“但你可以通過雲計算平臺，用手機把需要完成的計算任務送到雲端，讓後臺的量子電腦來完成。”
潘建偉表示，傳統電腦能算好的問題，量子電腦不需要再去介入。量子電腦瞄準的，是傳統電腦不能解決的難題，“比如玻色取樣對經典電腦太難了，量子電腦在這方面就顯得特別強大”。
當量子電腦實用化以後，它能解決哪些實際應用領域的難題呢？
密碼分析、氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探、人工智慧、大數據……總之，那些需要超大計算量的難題，交給量子電腦就對了！（經濟日報·中國經濟網記者佘惠敏）
