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中国科学家在量子计算机的突破 | 专访潘建伟、陆朝阳

 
撰文 | 林梅
责编 | 陈晓雪
 
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这是第一台超越早期经典计算机ENIAC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。
——论文通讯作者之一、中国科学技术大学教授陆朝阳
 
量子计算基础研究领域有几个大家共同努力的指标性节点:第一,展示超越首台电子计算机的计算能力;第二,展示超越商用CPU的计算能力;第三,展示超越超级计算机的计算能力。我们实现的只是其中的第一步,一小步,但是是重要的一步。
——论文通讯作者之一、中国科学技术大学教授潘建伟
 
近日,中国科学技术大学潘建伟与陆朝阳课题组在基于光子的量子计算机研究方面取得了突破性进展,制造出中国第一台5光子玻色采样计算机。 
 
这是第一台超越早期经典计算机ENIAC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,论文的通讯作者之一、中国科学技术大学教授陆朝阳介绍说。
 
这一成果发表在5月1日上线的《自然光子学》(Nature Photonics)。
 
近年来,随着量子操纵技术的飞速发展,量子计算备受瞩目。由于量子比特是 0 和 1 的叠加态,其计算能力相比于经典计算机将会指数加速,这一特点使量子计算有望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。然而,量子比特极易受到退相干和量子噪声的影响,量子相干性受到破坏,失去量子计算的优势。这极大地阻碍了建造量子计算机的进程。
 
所幸的是,科学家提出了更加可行的量子计算方案,虽然不能实现通用的量子计算,但在某些特定的计算问题上,计算能力依然指数倍于经典计算机。 
 
玻色采样由美国的理论计算机科学家Scott Aaronson和Aleksandr Arkhipov在2011年提出。该方案极大地降低了量子计算的需求,只需要单光子源,线性幺正系统(对应于一个复幺正矩阵)和探测器,便可实现。潘建伟、陆朝阳课题组首次利用量子点单光子源、自行设计加工的高效率干涉仪,构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机,首次在国际上实现5光子玻色采样。该量子计算机的采样率比人类第一台电子计算机ENIAC和晶体管计算机TRADIC高10-100倍。“你们构建了第一代 ‘ENIAC’量子机器。”一位审稿人评论说。
 
“量子计算基础研究领域有几个大家共同努力的指标性节点:第一,展示超越首台电子计算机的计算能力;第二,展示超越商用CPU的计算能力;第三,展示超越超级计算机的计算能力。我们实现的只是其中的第一步,一小步,但是是重要的一步。”论文的另外一位通讯作者、中国科学技术大学教授潘建伟说。
 
据了解,潘建伟研究团队将计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵,为实现第二步的目标做准备。
 
中国科学技术大学教授陈宇翱(未参与这一研究)评论说,第三步在某些特定的数学问题上,超越所有的计算机的计算能力,实现“量子霸权”,需要操纵45-50个量子比特,这一目标预计在未来两到三年内实现。
 
鉴于量子计算领域竞争激烈,尤其是在最后一步,鹿死谁手尚未可知,陈宇翱说他希望第一台真正实现“量子霸权”的量子计算机在中国科学技术大学诞生,但国外的工作也在进行之中,《知识分子》将持续关注这一领域的进展。
 
另外,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳与朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组在超导体系首次实现十个超导量子比特的纠缠,并在此基础上实现了快速求解线性方程组的量子算法。其结果在论文预印网站arxiv.org发表,后者已被《物理评论快报》(Physical Review Letters)接收。
 
参考文献:
1.实现超越早期经典计算机的多光子波色取样论文http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.63.html 
2.首次实现10个超导量子比特的纠缠:https://arxiv.org/abs/1703.10302
3.利用超导量子线路演示了求解线性方程组的量子算法:https://arxiv.org/abs/1703.06613,已被Phys. Rev. Lett. 接收
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