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量子計(jì)算何時(shí)投入實(shí)用? 光子可能是個(gè)關(guān)鍵角色

摘要:量子計(jì)算是世界科技前沿的一個(gè)重點(diǎn)研究方向,5月7日,《科學(xué)》雜志發(fā)表潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的研究成果,其成功研制了目前國(guó)際上超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量最多的量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。此前不久,由我國(guó)科研人員主導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表論文披露,他們研發(fā)出一款新型可編程光量子計(jì)算芯片,實(shí)現(xiàn)了多種圖論問(wèn)題的量子算法求解,有望應(yīng)用在數(shù)據(jù)搜索、模式識(shí)別等領(lǐng)域。

 ICC訊 我們瞄準(zhǔn)特定應(yīng)用研制了一款新型的可編程光量子計(jì)算芯片,能夠進(jìn)行量子漫步可編程動(dòng)態(tài)模擬,從而支持實(shí)現(xiàn)圖論問(wèn)題量子算法,未來(lái)可能應(yīng)用在數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、模式識(shí)別等領(lǐng)域。相對(duì)于通用量子計(jì)算,這種專(zhuān)用光量子計(jì)算芯片有可能可以率先實(shí)用化。

  ——強(qiáng)曉剛 軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院研究員

  量子計(jì)算是世界科技前沿的一個(gè)重點(diǎn)研究方向,5月7日,《科學(xué)》雜志發(fā)表潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的研究成果,其成功研制了目前國(guó)際上超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量最多的量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。此前不久,由我國(guó)科研人員主導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表論文披露,他們研發(fā)出一款新型可編程光量子計(jì)算芯片,實(shí)現(xiàn)了多種圖論問(wèn)題的量子算法求解,有望應(yīng)用在數(shù)據(jù)搜索、模式識(shí)別等領(lǐng)域。這是世界上首款面向圖論問(wèn)題求解的光量子芯片。

  那么,什么是量子計(jì)算?新型可編程光量子計(jì)算芯片研制成功為什么能引起業(yè)內(nèi)眾多關(guān)注?

  對(duì)此,記者采訪(fǎng)了新型可編程光量子計(jì)算芯片論文第一作者,軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院強(qiáng)曉剛研究員。

  量子計(jì)算:顛覆傳統(tǒng)計(jì)算的新概念

  量子計(jì)算是一種建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的新型計(jì)算模型,其基本計(jì)算單元是量子比特。

  強(qiáng)曉剛介紹,量子比特與我們熟悉的經(jīng)典比特不一樣,經(jīng)典比特要么是0要么是1,而量子比特由于量子疊加性質(zhì),可以同時(shí)處在0或1的狀態(tài)。這樣對(duì)一個(gè)處于疊加狀態(tài)的量子比特進(jìn)行操控時(shí),就相當(dāng)于同時(shí)對(duì)0和1兩個(gè)態(tài)進(jìn)行了操控。

  “以一枚硬幣做比喻,經(jīng)典的計(jì)算只存在于‘正面’和‘反面’,而量子計(jì)算則不僅于此。隨著量子比特?cái)?shù)目的增加,這種量子比特的疊加性質(zhì)蘊(yùn)含著巨大的計(jì)算潛力?!彼f(shuō)。

  上個(gè)世紀(jì)80年代,美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼提出用量子物理系統(tǒng)來(lái)構(gòu)造計(jì)算機(jī)的想法。上世紀(jì)90年代,能用于大數(shù)質(zhì)因子分解的Shor算法和能夠?qū)崿F(xiàn)快速搜索的Grover算法被先后提出,分別展示了量子計(jì)算在密碼破譯、數(shù)據(jù)搜索方面的巨大潛力。2000年之后,隨著量子計(jì)算理論的發(fā)展,量子計(jì)算機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)方面也在不斷發(fā)展,包括超導(dǎo)、離子阱、光子量子點(diǎn)、拓?fù)涞榷喾N物理體系的不同技術(shù)路線(xiàn)都在進(jìn)步。近幾年,谷歌、IBM、微軟、英特爾等高科技公司投入量子計(jì)算技術(shù)的研究,甚至掀起“比特?cái)?shù)大戰(zhàn)”,量子計(jì)算硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)模、操控精度等方面都得到快速發(fā)展。

  “作為新興的前沿技術(shù),量子計(jì)算技術(shù)在國(guó)防軍事領(lǐng)域也同樣具有巨大應(yīng)用潛力。”強(qiáng)曉剛表示,比如,量子計(jì)算可以快速地分解大數(shù)質(zhì)因子,這將對(duì)現(xiàn)有的密碼系統(tǒng)產(chǎn)生威脅;可以快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)搜索、完成線(xiàn)性方程組求解等,這可以在軍事大數(shù)據(jù)處理、戰(zhàn)場(chǎng)智能規(guī)劃等應(yīng)用方面發(fā)揮作用;在物理化學(xué)分子模擬方面也具有計(jì)算優(yōu)勢(shì),可以幫助設(shè)計(jì)尋找新的武器材料等。

  光量子芯片:規(guī)?;?A href="http://m.huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子計(jì)算的潛力途徑

  在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的超導(dǎo)、離子阱、光子量子點(diǎn)、拓?fù)涞榷喾N物理體系中,光子系統(tǒng)具有抗外界干擾能力強(qiáng)、操作精度高、可室溫工作等特點(diǎn),發(fā)展非常快速。

  光量子計(jì)算就是將量子比特信息編碼在單個(gè)光子上,通過(guò)對(duì)光子進(jìn)行量子操控及測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。光量子計(jì)算芯片技術(shù)是采用傳統(tǒng)的微納加工工藝在單個(gè)芯片上集成大量的光量子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算過(guò)程,具有高集成度、高精確度、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)大規(guī)??蓪?shí)用化量子計(jì)算機(jī)非常有潛力的途徑。

  自2008年以來(lái),光量子芯片技術(shù)迅速發(fā)展。

  “2018年,我們首次實(shí)現(xiàn)了基于光子系統(tǒng)的通用兩比特光量子計(jì)算,就是采用了光量子芯片技術(shù)。我們基于硅基集成光學(xué)技術(shù)研制了通用兩比特光量子計(jì)算芯片,集成了超過(guò)200個(gè)光量子器件,能夠?qū)崿F(xiàn)任意的兩比特量子計(jì)算應(yīng)用。這項(xiàng)工作成功地展示了硅基集成光學(xué)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光量子計(jì)算芯片方面的潛力。”強(qiáng)曉剛介紹,“在之前的研究基礎(chǔ)上,我們瞄準(zhǔn)特定應(yīng)用研制了一款新型的可編程光量子計(jì)算芯片,能夠進(jìn)行量子漫步可編程動(dòng)態(tài)模擬,從而支持實(shí)現(xiàn)圖論問(wèn)題量子算法,未來(lái)可能應(yīng)用在數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、模式識(shí)別等領(lǐng)域。相對(duì)于通用量子計(jì)算,這種專(zhuān)用光量子計(jì)算芯片有可能可以率先實(shí)用化?!?

  這里的量子漫步,又稱(chēng)量子行走,是量子計(jì)算領(lǐng)域的一類(lèi)重要計(jì)算模型。它是基于量子力學(xué)基本原理,對(duì)應(yīng)于經(jīng)典的隨機(jī)漫步所提出的,是許多量子算法的理論內(nèi)核。

  “舉例來(lái)說(shuō),在一維直線(xiàn)上從原點(diǎn)出發(fā),每走一步之前拋一枚硬幣,如果硬幣正面朝上,則向左一步,反之則向右一步,不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程,就形成了一維直線(xiàn)上的經(jīng)典隨機(jī)漫步。而在量子世界里,一個(gè)量子粒子具有量子疊加以及干涉等性質(zhì),就可以同時(shí)向左和向右走,這樣所形成的量子漫步具有與經(jīng)典隨機(jī)漫步完全不同的性質(zhì)。利用量子漫步的這些獨(dú)特性質(zhì)就可能設(shè)計(jì)出計(jì)算速度更快的量子算法?!彼f(shuō)。

  強(qiáng)曉剛介紹:“在最近的研究工作中,我們所實(shí)現(xiàn)的可編程光量子計(jì)算芯片能夠?qū)?A href="http://m.huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子漫步的演化時(shí)間、哈密頓量、粒子全同性、粒子交換特性等要素進(jìn)行完全調(diào)控,實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的量子漫步過(guò)程,從而支持運(yùn)行一系列基于量子漫步模型的量子算法,比如圖頂點(diǎn)搜索、圖同構(gòu)等圖論問(wèn)題的量子算法?!?

  記者了解到,這款芯片在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了多粒子量子漫步的可編程動(dòng)態(tài)模擬,最大的亮點(diǎn)有2個(gè):一是它的可編程性,通過(guò)電學(xué)調(diào)控片上元件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的量子漫步模擬,從而支持基于量子漫步模型的不同量子算法運(yùn)行;二是它的可擴(kuò)展性,與通用量子計(jì)算相比,所提出的芯片架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,基于硅光技術(shù)能夠更容易進(jìn)行擴(kuò)展,來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)可實(shí)用化的光量子計(jì)算系統(tǒng)。

  未來(lái)發(fā)展:機(jī)遇無(wú)限卻任重道遠(yuǎn)

  量子計(jì)算技術(shù)的研究,特別是光量子芯片研制,涉及物理、數(shù)學(xué)、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科背景的前沿交叉領(lǐng)域,需要多學(xué)科深度融合、團(tuán)隊(duì)集體合力。新型可編程光量子芯片就是由來(lái)自軍事科學(xué)院、國(guó)防科技大學(xué)、中山大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)共同完成的,集合了國(guó)內(nèi)外從事光量子計(jì)算領(lǐng)域研究的很多專(zhuān)家的力量。

  “當(dāng)然,隨著芯片規(guī)模的增大,它的計(jì)算能力將不斷增長(zhǎng)。但芯片上元件之間的串?dāng)_、噪聲等因素也隨之逐漸增大,如何實(shí)現(xiàn)芯片計(jì)算過(guò)程中的糾錯(cuò)容錯(cuò)是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。”強(qiáng)曉剛說(shuō),同時(shí),如何實(shí)現(xiàn)片上的多光子產(chǎn)生及操控也是需要解決的另一技術(shù)挑戰(zhàn)。

  “解決這些挑戰(zhàn),一方面我們需要不斷優(yōu)化器件設(shè)計(jì)、提升芯片研制水平,另一方面也可以利用智能算法等從軟件層面來(lái)補(bǔ)償芯片噪聲誤差等?!彼f(shuō)。

  美國(guó)、英國(guó)、歐盟等都非常重視量子計(jì)算等量子信息技術(shù)的發(fā)展,特別是國(guó)外高科技企業(yè)如谷歌、IBM、微軟、英特爾等企業(yè)在量子計(jì)算技術(shù)方面投入了大量資源,在推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)由基礎(chǔ)研究向工程化發(fā)展邁進(jìn)方面取得了顯著的成效。我國(guó)在量子技術(shù)領(lǐng)域的布局、研究方面,也走在了世界的前列。應(yīng)該說(shuō)中國(guó)在量子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)占有一席之地,特別是在量子通信、光量子計(jì)算等方向上處于國(guó)際先進(jìn)水平。

  記者注意到,不久前發(fā)布的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》,明確提出要瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)等前沿領(lǐng)域,實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國(guó)家重大科技項(xiàng)目。量子信息的重要性可見(jiàn)一斑。今年教育部也新增了量子信息科學(xué)專(zhuān)業(yè),這意味著量子技術(shù)領(lǐng)域在人才培養(yǎng)、科研發(fā)展方面進(jìn)入了新的階段。

  “對(duì)于我們從事量子計(jì)算領(lǐng)域研究的科研人員來(lái)說(shuō),能夠?qū)?guó)家需要和個(gè)人專(zhuān)業(yè)結(jié)合起來(lái),開(kāi)展研究工作,非常令人振奮。”強(qiáng)曉剛說(shuō)。

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