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中国光量子计算机诞生 全球领先迈出第一步

2021-02-25 09:42 来源: 长江日报
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    中国科学院3日宣布在量子计算机研究方面取得突破性进展,世界上第一台超越早期经典计算机的量子计算机诞生。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。

    尽管现在这个量子计算机的“婴儿”还不如你握着的手机运算速度快,但著名物理学家、中国科学院院士潘建伟说,它是量子计算机打败经典超级计算机征途中“非常重要的一步”。

    现在只是迈出第一步却是重要的一步

    想要判断量子计算到底牛不牛、牛在哪,学术界有三个达成共识的指标性节点:计算能力超越早期经典计算机是第一步,再是超越商用CPU,最后是超越超级计算机。

    关于量子计算研究的系列成果已经发表于《自然·光子学》等国际权威学术期刊上。“这意味着中国科学家研制出了量子计算领域的埃尼亚克(第一台电子管计算机ENIAC)。”《自然·光子学》的审稿人表示。

    埃尼亚克作为世界上第一台电子管经典算法计算机,开辟了一个属于计算机的时代。而现在,以它为首的经典计算机真正的挑战来了——以前,量子计算速度比经典计算机快还只是停留在理论中,而中国这台量子计算机向这一理论变成现实迈出了坚实的第一步,把量子计算机真正推向和经典计算机竞争的擂台。

    “目前我们实现的只是其中的第一步,但这一小步却是重要的一步。”潘建伟说,这是历史上第一台超越早期经典计算机的量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。这台量子模拟机,已经比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍。

    预计2020年向超级计算机发起挑战

    由于量子计算的巨大潜在价值,欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源,开展协同攻关,大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也强势介入量子计算研究。

    来自中国科学院量子信息和量子科技创新研究院的信息显示,国际学术界关于量子计算技术的发展,集中于光子、超冷原子和超导线路这三个研究体系。其中,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,一直保持国际领先水平,其“多光子纠缠及干涉度量”项目获得2015年度国家自然科学奖一等奖。

    “最快带来实际价值的体系是超冷原子量子模拟,将来很可能集成化的是超导量子计算,谷歌、IBM都在投入大量资源,积极布局。”潘建伟说。

    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。此次,潘建伟及其同事朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,首次实现10个超导量子比特的纠缠,在基于超导体系的量子计算机研究方面取得突破性进展。

    陆朝阳表示,预计年底可以实现操纵20个量子比特、达到目前商用CPU水平;到2020年,有望实现操纵45个量子比特的目标,向经典超级计算机的计算能力发起挑战。

    不过,由于高精度量子操控技术的极端复杂性,目前对其的研究仍处在早期发展阶段。“量子计算机就像初生的婴儿,未来最终会长成什么样子,对整个科学界还是个未知数。”潘建伟说。

    据新华社

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    量子计算机

    不是用来玩网游和发微信的

    科学家认为,量子计算机会成为未来科技的引擎,是打开无限可能性的钥匙。一些经典算法不可能完成的任务,量子算法却可以轻松搞定。如果将未来的量子计算机比作大学教授,今天所谓超级计算机的能力甚至还比不上刚上幼儿园的小班儿童。

    但科学家说,在可预见的将来,量子计算机并不会替代人们桌上的电脑和口袋里的手机,它更不是用来玩网络游戏和发微信的。量子计算机实际上是用来处理一些经典电子计算机的老大难问题。

    《自然》杂志在2017年年初的一篇以《2017年将是量子计算机从实验室走进现实》为题的文章中说,量子计算长期以来都被认为是20年以后才会实现的技术。但是,2017可能是这领域改变其“仅限于研究”印象的一年。

    科学家预计,量子计算机将使人类的日常生活大大改变。例如在公共安全领域,量子计算可以瞬间处理监控数据库中60亿人次的脸部图片,并实时辨别出一个人的身份;在公共交通领域,量子计算能够迅速对复杂的交通状况进行分析预判,从而调度综合交通系统最大限度避免道路拥堵;在气象预测方面,量子计算能够将仪器检测数据结合模型全面预测分析,从而实现更高精准度的天气预报……量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造、药物设计、金融分析、在宇宙中寻找第二个地球等领域具有突出优势。

    “我认为10年之内做到100个量子比特的操纵没有问题,它的计算能力可以达到现在全世界计算能力总和的百万倍。”潘建伟说。

    世界首台经典算法计算机

    埃尼亚克

    (ENIAC)

    中国超导量子计算机路线图

    2020年    向超级计算机发起挑战

    2017年    第五代20比特

    第四代10比特样品

    2016年    首次实现10比特纠缠

    第三代4比特样品

    2015年    第二代比特样品

    寿命提高到20微秒

    2014年    第一代三比特样品

    寿命5微秒

    高品质单光子的背后,得益于电子线路的超低损耗。国际上同类设备在产生单光子时会损耗70%,只有30%可以利用。而这台设备仅仅损耗1%,利用率高达99%。

    高品质单光子产生以后,通过光纤被引到可称之为“处理器”或“光学量子网络”的地方,这正是光量子计算机的第二个重要组成部分。单光子被分成5路,进入由上百个光学器件组成的矩阵。经过科学家的操控后,处理结果就会显示在计算机的屏幕上。

    可别小瞧了这台看起来不起眼的设备,它通过激光来激发量子点,每次产生一个单光子。这个单光子的性能是目前国际上最好的,其品质甚至比世界排名第二的还要好上10至100倍。

    中国量子计算机结构图

    全称为Electronic Numerical Integrator And Computer,即电子数字积分计算机,是世界上第一台经典算法计算机。它能够重新编程,解决各种计算问题。于2021-02-25在美国宣告诞生。

    埃尼亚克长30.48米,宽6米,高2.4米,30个操作台,重达31吨,造价48万美元。计算速度是每秒5000次加法或400次乘法。

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