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揭開中國量子計(jì)算機(jī)“嬰兒”的神秘面紗

來源:新華社

作者:

2017-05-13 09:08:05

新華社北京5月13日電(記者 喻菲 徐海濤 周琳)位于上海的中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院的一間實(shí)驗(yàn)室內(nèi),三平米的實(shí)驗(yàn)臺上看似毫無章法、密密麻麻地布滿大大小小的鏡片和古怪的器件,一些電線從上方的支架上垂落下來,旁邊的一臺儀器發(fā)出單調(diào)的“啾啾”聲。

這是近20位科研工作者經(jīng)過4年多孕育出的中國量子計(jì)算機(jī)“嬰兒”,它也是世界上首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī),5月初才在世人面前首次亮相。

量子計(jì)算所依據(jù)的原理是微觀世界最詭異的量子糾纏現(xiàn)象。對古人來說,現(xiàn)代電子技術(shù)如同巫術(shù),而開啟未來科技引擎的量子計(jì)算在當(dāng)今世人眼中又何嘗不是。

制造上帝無法區(qū)分的光子

這臺初具雛形的光量子計(jì)算機(jī)的研制者之一、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)年僅34歲的陸朝陽教授留著寸頭短發(fā),眼鏡片藏不住眼中露出的聰慧,人們稱他是操縱光子的“巫師”。

中國量子計(jì)算機(jī)發(fā)展路線圖。(受訪者供圖)

“世界上找不到兩片一模一樣的樹葉,但我們可以制造出兩個一模一樣的光子,可以開玩笑地說連上帝都無法區(qū)分,量子力學(xué)中叫做‘全同’。兩個獨(dú)立的光子只有一模一樣了,才能讓它們產(chǎn)生量子干涉,進(jìn)而糾纏,否則兩個光子誰都不理誰。”陸朝陽說。

上帝也無法區(qū)分的光子產(chǎn)生于一個單光子源。發(fā)出鳴叫聲的是制冷機(jī),為單光子源提供零下269攝氏度的低溫環(huán)境。

“我們這里的單光子目前在國際上綜合性能最優(yōu),全同性比率達(dá)到99.5%,效率比國際上第二名高10倍以上。這是由于我們在2013年創(chuàng)新了一種激發(fā)方法,可以大幅度降低噪音。之前國外技術(shù)產(chǎn)生的單光子就好像一對玩了泥巴的雙胞胎,你可以通過他們身上的泥巴區(qū)分他們,而我們制造出的光子就像把雙胞胎洗得干干凈凈,你就分辨不出他們了。”陸朝陽說。

這些光子在實(shí)驗(yàn)臺上的鏡片間跑來跑去,經(jīng)過10多個波片,改變了偏振信息后被導(dǎo)入一個關(guān)鍵器件——多路分束器,它相當(dāng)于這臺光量子計(jì)算機(jī)的CPU。在這里,“巫師們”對光子進(jìn)行操縱。

那些看似橫七豎八排列的反射鏡、波片、分束器和其他怪異的元器件,其實(shí)是“巫師們”獨(dú)具匠心地設(shè)計(jì)、組裝起來的。

“我們設(shè)計(jì)出的超低損耗量子線路效率達(dá)到99%,而國際上其他研究組的量子線路效率只有30%。”陸朝陽說。

陸朝陽和學(xué)生們討論光量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行情況。 (新華社記者 金立旺 攝)

這個“嬰兒”誕生以來,只做了一件事:玩了一個叫“玻色取樣”的游戲。這是科學(xué)家專門設(shè)計(jì)出來讓量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)比賽的游戲。

對著顯示屏上高低起伏的譜線,“巫師”說:“我們僅操縱了5個糾纏的光子,它就打敗了早期的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。”而“巫師們”在2016年底已可以操縱10個糾纏光子,創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。他們計(jì)劃今年年底實(shí)現(xiàn)操縱大約20個量子比特。

“雖然這臺光量子計(jì)算機(jī)還不如你握著的手機(jī)計(jì)算能力強(qiáng),但它是一個里程碑。人類歷史上第一臺電子計(jì)算機(jī)有幾間屋子大,今天我們看它一文不值,但它具有非常重要的科學(xué)意義,從科學(xué)到技術(shù),再到應(yīng)用,要一步步走來。”陸朝陽說,最初汽車剛發(fā)明時(shí),性能很不可靠,還沒有馬車方便舒適。但隨著技術(shù)的發(fā)展,汽車終究超過馬車。

尋找通往“羅馬”的路

陸朝陽的導(dǎo)師、中科院院士潘建偉20多年一直致力于對微觀粒子的操控。他的團(tuán)隊(duì)近期取得量子計(jì)算方面的突破得益于單光子源和超低損耗量子線路方面的進(jìn)展。“我們早先的路非常艱難,而現(xiàn)在進(jìn)展越來越快,這意味著量子計(jì)算研究就像雨后春筍,到了爆發(fā)式成長的節(jié)點(diǎn)。”

由于量子計(jì)算的巨大潛在價(jià)值,歐美各國以及一些大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等都在大力研究。如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算,科學(xué)家們正在嘗試很多種方案,光量子只是其中一種。

從事超導(dǎo)量子計(jì)算研究的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說:“我所知道的各國在花大力氣做的就有七八種路徑,中國幾個研究團(tuán)隊(duì)走在不同的路徑上。”

“現(xiàn)在誰也不知道最后哪個技術(shù)路線能做成真正有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī),有可能條條大路通羅馬,好幾個方向都做成,只是解的問題不一樣,有可能會有不同類型的量子計(jì)算機(jī)。還有一種可能是,或許某一天從一條無人知道的路徑殺出一匹黑馬。”朱曉波說。

目前,潘建偉團(tuán)隊(duì)在三個方向努力推進(jìn):光量子、超冷原子和超導(dǎo)。

潘建偉說,光量子系統(tǒng)是中國的傳統(tǒng)優(yōu)勢。但最快能帶來實(shí)際價(jià)值的可能是超冷原子系統(tǒng)。“可能再過一兩年,我們的實(shí)驗(yàn)室就能達(dá)到400個原子的相干操縱,這將是巨大的進(jìn)步。”

量子計(jì)算機(jī)研究實(shí)驗(yàn)裝置。(受訪者供圖)

而超導(dǎo)量子計(jì)算這條技術(shù)路徑也不能忽視。谷歌、IBM等公司在這一領(lǐng)域做了巨大投入。“這是因?yàn)槌瑢?dǎo)量子系統(tǒng)的可集成性和相干性非常好,它的耗電量比經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)小得多,幾乎可以忽略不計(jì)。而這方面,中國也具有成熟的技術(shù)。”潘建偉說,不同的研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)協(xié)同創(chuàng)新、相互借鑒。

潘建偉預(yù)計(jì),2020年中國有望研制出50個左右量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī),超越目前最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”。

孕育中的另一個“嬰兒”

在量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院另一間實(shí)驗(yàn)室,超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)也在孕育之中。與光量子計(jì)算機(jī)五臟六腑一覽無余地鋪陳開來不同的是,超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的核心部件都包裹在一個懸在空中一米多高的圓柱形罐子里。同樣有制冷機(jī)發(fā)出鳴叫,不過超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)需要的環(huán)境溫度更低,達(dá)到零下273.15攝氏度。

作為它的主要研制者之一,朱曉波說,他與浙江大學(xué)王浩華教授以及陸朝陽、潘建偉合作,用超導(dǎo)材料研制出世界上糾纏數(shù)目最多(即10比特)的超導(dǎo)量子芯片。

這個指甲蓋大小的芯片就位于圓柱形罐子的底部,巨大的罐子是為了提供芯片工作所需要的極低溫、極低噪聲的環(huán)境。

朱曉波認(rèn)為,目前這套系統(tǒng)還不能稱為一臺超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。他希望能做出平臺和接口,可以讓人去訪問它。“量子計(jì)算機(jī)是全新的,怎么運(yùn)算,很多最頂級科學(xué)家也不清楚。我們希望今年年底能做出10量子比特的演示機(jī)器。”

他說,目前最困難的是如何提高量子芯片的操控精度。量子芯片是非常脆弱的系統(tǒng),蝴蝶扇動翅膀的能量都比操控量子的能量高萬億億倍,所以屏蔽震動、電磁波等造成的環(huán)境噪聲非常關(guān)鍵。“而這其中特別難做到的是,在提高操控的量子比特?cái)?shù)目的同時(shí),還要屏蔽噪聲。”

潘建偉認(rèn)為,中國科學(xué)家10年內(nèi)可以做到100個量子比特的操縱,這樣就可以研制出在某些方面有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī),它的計(jì)算能力可以達(dá)到現(xiàn)在全世界計(jì)算能力總和的百萬倍。

朱曉波介紹超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)芯片。(新華社記者 金立旺 攝)

人類對計(jì)算能力的需求永無止境。第一臺經(jīng)典計(jì)算機(jī)剛問世時(shí),IBM的創(chuàng)始人托馬斯·沃森曾說,全世界只需要5臺計(jì)算機(jī)就夠了。但現(xiàn)在每人都至少需要一臺。

那么未來人人都會有量子計(jì)算機(jī)嗎?

潘建偉預(yù)測,全世界有幾萬或者幾百萬臺量子計(jì)算機(jī)。“但是我家里肯定不需要有一臺,把手機(jī)、筆記本電腦造成低溫很困難。但我可以使用云計(jì)算,通過量子通信把需要計(jì)算的任務(wù)發(fā)送到云端。”

“傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)能算得很好的問題,我們就不需要用量子計(jì)算機(jī)。我們要解決的是經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決不了的問題,例如破譯密碼、天氣預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)。量子計(jì)算還能大力推動人工智能的研究。”潘建偉說:“以后是否有通用的量子計(jì)算機(jī),現(xiàn)在還很難說,可能將來的量子計(jì)算機(jī)跟我們現(xiàn)在想象的都不一樣。”

[責(zé)任編輯:楊凡、蘇琛]

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