世界首臺光量子計(jì)算機(jī)在中國誕生

5月3日，中國科學(xué)院在上海召開新聞發(fā)布會，宣布世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)在我國誕生。

中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)教授王浩華研究組，近期在基于光子和超導(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。在光學(xué)體系方面，研究團(tuán)隊(duì)在2016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)單光子源構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單光子量子計(jì)算機(jī)。在超導(dǎo)體系方面，研究團(tuán)隊(duì)打破了之前由谷歌、美國國家航空航天局（NASA）和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）公開報(bào)道的九個超導(dǎo)量子比特的操縱，實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的十個超導(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。相關(guān)系列成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然-光子學(xué)》和《物理評論快報(bào)》上。

量子計(jì)算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的并行計(jì)算和模擬能力，計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算難題提供有效解決方案。一臺操縱50個微觀粒子的量子計(jì)算機(jī)，對特定問題的處理能力可超過超級計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算技術(shù)主要通過發(fā)展高精度、高效率的量子態(tài)制備與相互作用控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量子比特的相干操縱。由于其巨大的潛在價(jià)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，谷歌、微軟、IBM等大型高科技公司也強(qiáng)勢介入量子計(jì)算研究。

多粒子糾纏的操縱作為量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國際角逐的焦點(diǎn)。在光子體系方面，潘建偉團(tuán)隊(duì)在多光子糾纏領(lǐng)域始終保持著國際領(lǐng)先水平，并于2016年底把紀(jì)錄刷新至十光子糾纏。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用自主發(fā)展的綜合性能國際最優(yōu)的量子點(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，通過和經(jīng)典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計(jì)算機(jī)（ENIAC）和第一臺晶體管計(jì)算機(jī)（TRADIC）運(yùn)行速度快10-100倍。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)》。這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算這一被國際學(xué)術(shù)界稱為“量子稱霸”的目標(biāo)，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。朝著這一目標(biāo)，潘建偉團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在今年年底實(shí)現(xiàn)大約20個光量子比特的操縱。

在超導(dǎo)體系方面，2015年，谷歌、NASA和UCSB宣布實(shí)現(xiàn)了9個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱，這一記錄在2017年被中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次打破。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，通過高精度脈沖控制和全局糾纏操作，成功實(shí)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十比特量子態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用超導(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(jì)算的并行性加速求解線性方程組的可行性，相關(guān)成果即將發(fā)表于《物理評論快報(bào)》。研究團(tuán)隊(duì)目前正致力于20個超導(dǎo)量子比特樣品的設(shè)計(jì)、制備和測試，并計(jì)劃于今年年底前發(fā)布量子云計(jì)算平臺。

上述工作由中國科大、浙江大學(xué)、中科院物理研究所等協(xié)同完成，受到中科院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、國家自然科學(xué)基金委、科技部和教育部2011計(jì)劃等資助。

國際上最高品質(zhì)和最高效率的單光子源

基于單光子的量子計(jì)算原型機(jī)結(jié)構(gòu)

十超導(dǎo)量子比特的糾纏態(tài)

基于超導(dǎo)量子處理器的線性方程解法演示