“與我們這臺超越早期經(jīng)典計算機的量子計算原型機比起來，之前報道過的同類量子計算機只是沒法實用的游戲機。”潘建偉說。
5月2日，該研究成果以長文的形式在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。審稿人評價稱，中國科學(xué)家“建造出了第一代量子計算機，是量子計算機中的ENIAC”（注：ENIAC是人類歷史上第一臺電子管計算機）。
國際學(xué)術(shù)界將量子計算機計算能力超過現(xiàn)有經(jīng)典超級計算機的目標(biāo)，稱為“量子稱霸”。中國的這臺光量子計算機，是人類歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子模擬機，為人類最終實現(xiàn)“量子稱霸”目標(biāo)奠定了堅實基礎(chǔ)。
“玻色取樣”任務(wù)中，目前最快的超級計算機能處理約45個粒子。“我們計劃在今年年底實現(xiàn)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(xiàn)有最好的商用CPU電子計算機。”潘建偉說。
在超導(dǎo)量子計算機領(lǐng)域，我國科學(xué)家也取得了重大突破。
在超導(dǎo)體系，2015年，谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。這個記錄在2017年被中國科學(xué)家團(tuán)隊首次打破。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波、浙江大學(xué)教授王浩華的研究團(tuán)隊和陸朝陽、潘建偉等合作，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，成功實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的多體純糾纏，并通過層析測量方法完整地刻畫了10比特量子態(tài)。
“簡單地說，我們做出了10量子的超導(dǎo)量子計算機CPU芯片，并用它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。”朱曉波告訴記者，相關(guān)量子算法的成果已經(jīng)過審，即將發(fā)表于《物理評論快報》。目前研究團(tuán)隊正在致力于20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計、制備和測試，并計劃于今年年底前發(fā)布量子云計算平臺。
世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機。中國經(jīng)濟網(wǎng)記者 佘惠敏攝
量子計算：計算機中的“戰(zhàn)斗機”
如果把現(xiàn)在傳統(tǒng)的電子計算機比作自行車，那么，初試啼聲的量子計算機就好比飛機，它未來的計算能力將秒殺傳統(tǒng)計算機。量子計算機為何可以成為計算機界的“戰(zhàn)斗機”？這與它的計算原理密切相關(guān)。
現(xiàn)有的電子計算機，1個物理比特只能存儲1個邏輯態(tài)——或者0，或者1。而量子計算機利用的是量子的相干疊加原理，可以制備在兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，1個量子比特可以同時存儲0和1。
這意味著什么呢？意味著量子計算機的處理能力將隨著比特數(shù)的增加而呈指數(shù)級上升。量子計算機有N個比特，就可以一次對2的N次方個數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，相當(dāng)于經(jīng)典計算機算上2的N次方次。
指數(shù)級增加有多么厲害？
曾有一個著名典故《棋盤上的糧食》描述了指數(shù)增長的可怕。傳說中一名宰相發(fā)明了國際象棋獻(xiàn)給國王，國王問他需要什么獎勵時，他說只需要賞賜一些麥子即可：在棋盤上第1個格子里放1顆，第2格放2顆，第3格4顆，此后每一格顆數(shù)都是前一格2倍。國王以為這個賞賜很容易，卻發(fā)現(xiàn)整個國庫的糧食全放進(jìn)去都不夠。原來，國際象棋有64格，那么需要的麥粒總顆數(shù)就是2的64次方減1，這大約是140萬億升小麥，需要全世界生產(chǎn)2000年！
量子計算計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，這可以為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。
“分解300位大數(shù)，利用萬億次經(jīng)典計算機需要15萬年，利用萬億次量子計算機只需要1秒。”潘建偉預(yù)測，2020年左右超導(dǎo)量子計算機就可以操縱50個量子比特，屆時就可以實現(xiàn)“量子稱霸”，在處理一些特定問題的能力上超越經(jīng)典計算機中計算能力最強的超級計算機。他還預(yù)計，10年內(nèi)量子計算機將可能實現(xiàn)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(dá)到現(xiàn)有最強超級計算機的百億億倍，或者目前全世界計算能力總和的百萬倍。
正是由于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(xié)同攻關(guān)，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(xué)家也加入了這場角逐，并取得了相當(dāng)亮眼的成果，并對下一步發(fā)展進(jìn)行了部署。
潘建偉介紹，我國將要啟動的人工智能2.0計劃中，就有量子人工智能的專門部分，其技術(shù)基礎(chǔ)就是量子計算機。而在這之前，“我們首先要通過三五年努力，實現(xiàn)量子稱霸，讓量子計算機在某些特定問題上超越經(jīng)典超級計算機。”
