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解读新突破“中国量子计算机”，真比神威·太湖之光还厉害？
来源：央视新闻 中国青年报 SELF格致论道讲坛
5月3日，科技界迎来了一则重磅消息：世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。中国科学院5月3日在上海举行新闻发布会，对外发布了这一消息，这个“世界首台”是货真价实的“中国造”，属中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组攻关突破的成果。
资料图世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机最新就诞生在这个光学实验室里面，那可以看到由于现在还是处于一个研究阶段，所以它跟我们想象的台式机并不一样，这一大片光量子的信息处理系统，其实仅仅相当于现在经典计算机中的一个CPU部分。
资料图在这个原型机上运行一些量子算法，我们发现它的速度比国际上第二名要快24000多倍，可以超过人类历史上最早期的那些经典计算机，这标志着我们可以构建出一些量子的机器，可以跟我们经典的机器同台竞赛了。
在光量子计算取得突破性进展的同时，中国科学技术大学潘建伟研究团队在基于超导线路体系的量子计算研究领域也取得重大成果，打破了此前谷歌、美国航天航空局等实现的9个超导量子比特的高精度操纵。
资料图量子计算机如果需要很好的工作的话，我们要把所有的量子比特都耦合，然后测量它，我们量子力学上把它叫纠缠，这个是目前报道的最多的这样一个纠缠记录，在超导量子比特领域，是十个。
资料图根据计划，潘建伟研究团队将在今年年底分别实现20个光量子比特和20个超导量子比特的操纵。随着可操纵粒子数的增加，量子计算机的计算能力将会呈指数增长，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。
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。曾有人打过一个比方：如果现在传统计算机的速度是自行车，量子计算机的速度就好比飞机。例如，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目前最快的“神威·太湖之光”超级计算机。
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，潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子和十光子纠缠，一直保持着国际领先水平。在超导体系，2015年，谷歌、美国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。这个记录在2017年被中国科学家团队打破。
记者从中国科学院发布会上获悉，潘建伟、朱晓波、王浩华等自主研发了10比特超导量子线路样品，通过发展全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。进一步，研究团队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国际权威期刊《物理评论快报》。
在光量子计算方面，潘建伟、陆朝阳等利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，并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。实验测试表明，该原型机的取样速度不仅比国际同行类似的实验加快至少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。
潘建伟说，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奠定了基础。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》。
什么是量子计算
大家知道，现在量子通信非常火热，我们的量子卫星之前已经运到酒泉去等着发射了，我们的京沪干线在今年年底会开通。在这个炎热的夏天，我想给大家带来一点不一样的、冷一点、酷一点的东西，我们这个叫冷原子，那冷原子是什么呢？听我给大家慢慢讲来。
我们知道目前已知的物质、或者说已知的自然界有的、最冷的也就是液氦，大概4K左右，跟太阳表面也就只差了三个数量级。我想要讲的这个冷，还在液氦的一万倍以下，就是在10 -4K往下开始，它有趣的地方在哪？
资料图当在这个温度往下开始，这个原子就不能再考虑它是一个粒子，而是必须得考虑它的波动的性质了，继续往下冷，就可以冷到一个科学界或者说原子界的里程碑——玻色·爱因斯坦凝聚。
资料图随着原子运动速度越来越慢，它越来越冷，慢慢展现出它的波动的性质出来，形象地比喻来说就是这个原子变得越来越胖，当它本身的波长和它的距离可以比拟的时候，就变成了你中有我，我中有你，所有的原子变成了一个量子态。
但是，与此同时在另外一个领域，在凝聚态系统里面，大家在为理解电子的运动而犯愁的。电子运动本身很简单，它一共有几种运动，电子在格点上可以转，在旁边有空的格点它可以从这边移到那边去，互相之间可以交换。
这里有一个最典型的或者说最美最妙的模型就是Hubbard模型，Hubbard大概在1963年提出来，这么简单的方程式就描述了刚刚非常简单的运动。但是问题在哪？问题在这么简单的一个模型，这么美的一个方程式，它解不出来。
资料图首先它解析解是没有的，为了要解数值解，他所需要的计算资源跟粒子数是呈指数增长具体来讲，我们现在的超算第一名，已经超过了天河二号的（神威）太湖之光，它所能处理的也就大概45个电子的运动，我们每个人都有的智能手机，它大概能处理25个，也就比神威少了20个。
资料图如果我们想要模拟300个电子运动，它所需要的存储空间就是2 300，这个数字已经超过了目前我们已知宇宙的原子数总和。而我们知道，我们真的想要研究电子运动，实际上你要考虑的是成千上万可能几十亿个非常多的远不止这个数字的。
对于这个问题，费曼就提出来说，这个自然界它不是经典的，如果你想要模拟这个自然界实在是太难了，那你最好把这个计算机给量子化，他提出了量子计算与量子模拟的概念。
资料图什么意思？就是相当于我用一个可控的量子体系，就是在他的体系里面，就是用原子体系来模拟电子的体系。费曼提出的这个机制，某种意义上就是给电子建造一个风洞。用什么？用冷原子。
为什么要用冷原子？当原子进入到玻色·爱因斯坦凝聚之后，它每个原子都一样了，在这个情况下才能够使得原子它在格点上的行为能够跟电子一模一样。所以就是说它可以利用原子做一个最简的可控模型，使计算能力得到重大的突破，当我们能够操纵比如说50个原子的时候，现在就已经能超越神威太湖之光的计算能力了。
资料图费曼相当于提出了一个当时对玻色·爱因斯坦凝聚非常好的应用吧。不管怎么样，玻色爱因斯坦凝聚本身就是一个大家追求的里程碑式的一个圣杯。在这条道路上，大家一直在努力着，但是几十年过去之后，实验上一直没有太多的进展，一直到80年代才开始有了突破。
当我们有了激光之后，人们开始提出一种用激光来冷却原子的方式。什么意思呢？不知道各位在火车站接人的时候有没有感受到过，当火车开过来和离开的时候你听到的声音不一样，这个就是叫多普勒效应，跟你迎面而来的频率和跟你离开而走的频率不一样。
那么，我调节这个光和调节这个原子，使得光只会对迎面而来的原子起作用，后面来的光就直接穿过去，不会挡它了。这样的话我如果在每个方向都打光，这个原子往这个方向跑，那么光就像划一个如来神掌：你给我滚回去，就把它给冷下来了。实际上你看光本身也不强，但是它最大的加速度能够达到重力加速度的负一万倍，能到10 5米/秒平方的加速度，能够在很快的时间内能把原子从室温冷到最小的温度，大概10μK。
但是这个温度还不够，刚刚讲了10μK，，离玻色·爱因斯坦凝聚还差了几个数量级，进一步冷却之后，怎么弄呢？一个非常妙的主意是叫蒸发冷却。
资料图蒸发冷却就像我们喝咖啡、喝水的时候，我们就吹一吹让水蒸气跑掉，它慢慢就冷下来了。我们在原子里面怎么弄？大概10μK原子它始终会有个速度分布，有些热的，有些是冷的，热的始终在边缘处，比较容易逃逸，冷的在下面，我想个办法这个碗慢慢放小了，放小使得热原子容易逃逸的那部分就跑了，跑了之后剩下的原子温度会重新分布，分布下来，它就慢慢的冷下来了。
有了玻色·爱因斯坦凝聚之后，就可以对这个原子进行单独的操控，因为原子比电子大了1000倍，所以可以把它放到跟电子一样的环境下，看它到底是怎么运动的。
现在讲起来最能直接应用的应用就是说目前现在这个高温超导，我们希望通过用冷原子来理解高温超导机制，反过来再建议怎么调整能够实现比如说室温下超导。如果真的能够实现室温下超导的话，那么像上海的磁悬浮也不用亏本运营了。上海到北京或许只要半个小时就可以到了。
