日前，我國在量子計算機研究領(lǐng)域取得突破性進展。浙江大學(xué)物理系王浩華課題組參與研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子芯片，實現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的10個超導(dǎo)量子比特的糾纏，打破了之前由谷歌和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校保持的記錄，并在4比特超導(dǎo)量子處理器上展示了快速求解線性方程組的量子算法，使得我國在量子計算機研究領(lǐng)域進入國際第一梯隊。
1981年著名物理學(xué)家費曼首先提出了有關(guān)量子計算的設(shè)想，量子計算機在解決特定問題上具有經(jīng)典計算機無法比擬的優(yōu)勢?！皩嶒炆蠈崿F(xiàn)量子計算的物理體系有很多。相較于光學(xué)系統(tǒng)、離子阱和量子點等微觀體系，基于宏觀約瑟夫森效應(yīng)的超導(dǎo)電路由于其在可操控性和可擴展性等方面的優(yōu)勢，是目前國際上公認的有希望實現(xiàn)量子計算的幾個物理載體之一?！闭憬髮W(xué)物理學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師王浩華介紹道，“課題組近5年來一直致力于超導(dǎo)量子計算和量子模擬的實驗研究?！?/p>
量子計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，多粒子糾纏的操縱是量子計算的技術(shù)制高點，一直是國際角逐的焦點?！爸苽涓弑Ｕ娑鹊亩啾忍亓孔蛹m纏態(tài)是量子計算領(lǐng)域的一個難點，也是我們的攻堅方向。”王浩華介紹道。此次，王浩華課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、陸朝陽課題組，福州大學(xué)鄭仕標課題組，中科院物理所鄭東寧課題組等合作，通過高精度脈沖控制和全局糾纏方案，成功實現(xiàn)了10個超導(dǎo)量子比特的糾纏，并完整地刻畫了十比特量子態(tài)。該文章已于近期在論文預(yù)印網(wǎng)站在線（https://arxiv.org/pdf/1703.10302.pdf），引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注。
在科學(xué)研究與工程應(yīng)用中，求解線性方程組是一個非常普遍且關(guān)鍵的問題。王浩華課題組與潘建偉、朱曉波、陸朝陽課題組、鄭東寧課題組等合作，在一塊集成了4個比特的超導(dǎo)量子電路芯片上演示了求解線性方程組的HHL算法。該算法序列使用了近20個量子門的操控，整體保真度超過80%，展現(xiàn)了可集成固態(tài)系統(tǒng)用于快速求解線性方程組的潛力，相關(guān)成果即將發(fā)表在國際權(quán)威期刊Physical Review Letters上（論文預(yù)印網(wǎng)站鏈接https://arxiv.org/pdf/1703.06613.pdf）。
此外，王浩華課題組與潘建偉、陸朝陽課題組合作，利用一塊由超導(dǎo)諧振腔耦合4個量子比特的超導(dǎo)芯片，通過調(diào)控微波信號生成任意子并使任意子相互環(huán)繞一周，在國際上首次實現(xiàn)用固態(tài)系統(tǒng)模擬有任意子激發(fā)的Kitaev模型，證明了非平凡的量子態(tài)演變。這一研究成果展示了拓撲編織操作在固態(tài)器件中實現(xiàn)的可能性。相關(guān)成果作為編輯推薦發(fā)表在國際權(quán)威期刊Physical Review Letters上（https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.117.110501）。
歐美各國政府，前沿實驗室，谷歌、微軟、IBM等大型科技公司都加大研究投入并發(fā)布研究計劃。量子計算的實用價值在哪里？王浩華介紹道，量子計算可以完成經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題，在密碼分析、氣象預(yù)報、藥物設(shè)計、金融分析、石油勘探等領(lǐng)域具有巨大潛力。
經(jīng)典計算機的運算能力和晶體管數(shù)量成正比，量子計算機的運算能力和量子比特數(shù)量呈指數(shù)關(guān)系。以海量搜索為例可以理解量子疊加的巨大威力：經(jīng)典算法是逐個抽取條目并與搜索條件進行比對，進而輸出結(jié)果；但量子計算是同時抽取多個條目并進行比對，進而返回最可靠的條目。當(dāng)搜索條目數(shù)量非常大的時候，量子計算機的優(yōu)勢就非常明顯。
量子計算的強大能力源自量子疊加與糾纏的特性。經(jīng)典計算機中一個比特只能有0或1兩種狀態(tài)；而量子計算機中，一個比特則可以同時處于0和1按照任意比例進行疊加的多種狀態(tài)。處于糾纏態(tài)的多個量子比特能夠相互聯(lián)系，簡單來說，就是一個量子比特的行為能瞬間影響到另一個量子比特。一個由n個量子比特組成的量子計算機可以同時處于2n次方種狀態(tài)，并能夠同時對這種狀態(tài)進行并行操作，其效果相當(dāng)于經(jīng)典計算機重復(fù)實施2n次操作或一次操作中同時運行2n次方個處理器。
通用型量子計算機能夠影響甚至顛覆科學(xué)研究和日常生活。
例如，新藥研制過程中，為找到最有效的藥物，化學(xué)家們通常需要進行無數(shù)不同分子組合方式的實驗。經(jīng)典計算機很難模擬量子層面的分子互動，但是量子計算機可以在海量的分子組合模式中迅速確定最有可能起效的一種，大大節(jié)省研發(fā)成本和時間。
又如，目前破譯密碼需要使用窮舉法。但是擅長大數(shù)分解的量子計算機，可以將每個密碼位上的數(shù)字“同時”輸入。通用型量子計算機將使大數(shù)密碼破譯變成“小菜一碟”，屆時保密通信中使用的RSA密碼將不再是“密碼”。
擁有大規(guī)模計算能力的量子計算機也可以提高天氣預(yù)報的準確度和精細度、在大量觀測信息的基礎(chǔ)上縮短地震概率計算時間從而為決策提供依據(jù)。
那么，能夠比經(jīng)典計算機更快執(zhí)行普適任務(wù)的通用型量子計算機何時能夠問世？王浩華表示，要實現(xiàn)這個目標需要操控數(shù)百萬個量子比特，在可預(yù)見的未來這個目標不太現(xiàn)實。所以我們希望能夠構(gòu)造一個包含50個量子比特的模擬器，在模擬小分子和其他量子系統(tǒng)行為方面超越超級計算機。
（文/攝影 馬宇丹）
