量子计算机的发展路程与目前状况

老龄新兵

量子计算机的发展路程与目前状况

1920年，奥地利人埃尔温·薛定谔、爱因斯坦、德国人海森伯格和狄拉克，共同创建了一个前所未有的新学科——量子力学。量子力学的诞生为人类未来的第四次工业革命打下了基础。在它的基础上人们发现了一个新的技术，就是量子计算机。量子计算机的技术概念最早由理查得·费曼提出，后经过很多年的研究这一技术已初步见成效。

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正是因为量子计算机有如此“神奇”的作用，除了中国在该领域有研究投入外，美国和欧洲的政府部门、大型科技公司和前沿实验室都对量子计算产生了极大的兴趣。各国相关领域的科学家在量子计算机探索的道路上锲而不舍，咬紧牙关丝毫不让步，美国甚至组建了包括谷歌公司、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校等众多科研巨头在内的“梦之队”来进行量子计算机的研发。他们宣布实现了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首次打破

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，我国的潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平，并于2016年底把纪录刷新至十光子纠缠。在此基础上，团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，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。

2017年5月3日，中国科学技术大学潘建伟教授宣布，在光学体系，研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上，利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。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这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。

潘建伟说：“实验测试表明，该原型机的‘玻色取样’速度不仅比国际同行类似的之前所有实验加快至少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。”量子计算机的性能随着“量子比特”的增加呈指数增长，而传统计算机按“比特位”呈线性增长。总有那么一个临界点，量子计算机的性能就会超过传统计算机。

“朝着这个目标，我们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，将接近目前最好的商用CPU。”

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(成果即将发表于《物理评论快报》)。

量子计算机已经热了十来年了，很多人投入了无数的精力去研究，可是真正实用的量子计算机一直没有做出来，为什么这么困难呢？现在看来，实现量子计算本质上是一个工程问题，至少是偏重工程的问题。实现量子计算机的关键在于如何容错以及可扩展。量子计算机，他的量子比特可以同时以0和1两种状态存在，这被称为叠加态，这种量子比特必须防止所有外部的噪音，最轻微的干扰，也会破坏叠加态，从而导致运算错误，另外，量子比特必须低温状态进行运算，运算过程中会升温，也需要采用降温的措施，美国科学家，使用了一种叫纳米量子冰箱，他给量子比特降温，他的任务是量子比特保持运行所需要的温度，在量子比特的操控上，还有许多其他的困难。量子计算的高速度和大容量，这两个极大的优势，吸引了世界各国的科学家从事这项研究工作，但与此同时，量子这个小玩意儿，实在太难控制，太不稳定，科学家们正在为此付出最大的努力，我们相信他们会成功。

今天取得了重大成果的我国科学家也深知“前路漫漫”，往前的每一步都是极其艰难，让量子计算机“飞入寻常百姓家”目前来说难度更大，所以丝毫不敢松懈，反而深感责任之重大。

潘建伟研究团队依然在“继续前行”，计划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。

潘建伟团队的此次实验，。从最初的3比特，到5比特，到6比特，再到如今的10比特，潘建伟说，此次测试的成功标志着中国在超导量子比特集成系统的设计制备、控制与测量等各方面都打下了坚实的基础。

目前，国际前沿的实验成果中，可以操控的纠缠光子比特数已经达到十个，而未来实用化的量子计算体系需要同时操控几十乃至上百个量子比特，也就是说从“婴儿”到“成人”，量子计算还有很长的路要走。

概括起来说，第一：量子计算机不是一个虚无缥缈的东西，有极为光明的前程。第二：要走到我们的日常生活里，还有一段路。第三，在这个领域，我们国家的科学家是领先的。（待续）

烨鹤

本网网友的帖子：
中国量子卫星拍摄出来的照片

请问 为什么你不把它列入量子计算机的成果？

老龄新兵

烨鹤 发表于 2017-5-15 12:04
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中国量子卫星拍摄出来的照片

有关量子计算机的应用成果，我会在后续的文章里讨论。