日前，我國(guó)在量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)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(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的10個(gè)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(guó)在量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)。
1981年著名物理學(xué)家費(fèi)曼首先提出了有關(guān)量子計(jì)算的設(shè)想，量子計(jì)算機(jī)在解決特定問(wèn)題上具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)?！皩?shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子計(jì)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(diǎn)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(kuò)展性等方面的優(yōu)勢(shì)，是目前國(guó)際上公認(rèn)的有希望實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的幾個(gè)物理載體之一。”浙江大學(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(lái)一直致力于超導(dǎo)量子計(jì)算和量子模擬的實(shí)驗(yàn)研究?！?/p>
量子計(jì)算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，多粒子糾纏的操縱是量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，一直是國(guó)際角逐的焦點(diǎn)?！爸苽涓弑Ｕ娑鹊亩啾忍亓孔蛹m纏態(tài)是量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，也是我們的攻堅(jiān)方向?！蓖鹾迫A介紹道。此次，王浩華課題組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、陸朝陽(yáng)課題組，福州大學(xué)鄭仕標(biāo)課題組，中科院物理所鄭東寧課題組等合作，通過(guò)高精度脈沖控制和全局糾纏方案，成功實(shí)現(xiàn)了10個(gè)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(guó)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(gè)非常普遍且關(guān)鍵的問(wèn)題。王浩華課題組與潘建偉、朱曉波、陸朝陽(yáng)課題組、鄭東寧課題組等合作，在一塊集成了4個(gè)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(gè)量子門的操控，整體保真度超過(guò)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(guó)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(yáng)課題組合作，利用一塊由超導(dǎo)諧振腔耦合4個(gè)量子比特的超導(dǎo)芯片，通過(guò)調(diào)控微波信號(hào)生成任意子并使任意子相互環(huán)繞一周，在國(guó)際上首次實(shí)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?fù)渚幙棽僮髟诠虘B(tài)器件中實(shí)現(xiàn)的可能性。相關(guān)成果作為編輯推薦發(fā)表在國(guó)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(guó)政府，前沿實(shí)驗(yàn)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(jì)劃。量子計(jì)算的實(shí)用價(jià)值在哪里？王浩華介紹道，量子計(jì)算可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算難題，在密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探等領(lǐng)域具有巨大潛力。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和晶體管數(shù)量成正比，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和量子比特?cái)?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(gè)抽取條目并與搜索條件進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而輸出結(jié)果；但量子計(jì)算是同時(shí)抽取多個(gè)條目并進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而返回最可靠的條目。當(dāng)搜索條目數(shù)量非常大的時(shí)候，量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)就非常明顯。
量子計(jì)算的強(qiáng)大能力源自量子疊加與糾纏的特性。經(jīng)典計(jì)算機(jī)中一個(gè)比特只能有0或1兩種狀態(tài)；而量子計(jì)算機(jī)中，一個(gè)比特則可以同時(shí)處于0和1按照任意比例進(jìn)行疊加的多種狀態(tài)。處于糾纏態(tài)的多個(gè)量子比特能夠相互聯(lián)系，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)量子比特的行為能瞬間影響到另一個(gè)量子比特。一個(gè)由n個(gè)量子比特組成的量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處于2n次方種狀態(tài)，并能夠同時(shí)對(duì)這種狀態(tài)進(jìn)行并行操作，其效果相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)重復(fù)實(shí)施2n次操作或一次操作中同時(shí)運(yùn)行2n次方個(gè)處理器。
通用型量子計(jì)算機(jī)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(guò)程中，為找到最有效的藥物，化學(xué)家們通常需要進(jìn)行無(wú)數(shù)不同分子組合方式的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難模擬量子層面的分子互動(dòng)，但是量子計(jì)算機(jī)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(shí)間。
又如，目前破譯密碼需要使用窮舉法。但是擅長(zhǎng)大數(shù)分解的量子計(jì)算機(jī)，可以將每個(gè)密碼位上的數(shù)字“同時(shí)”輸入。通用型量子計(jì)算機(jī)將使大數(shù)密碼破譯變成“小菜一碟”，屆時(shí)保密通信中使用的RSA密碼將不再是“密碼”。
擁有大規(guī)模計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)也可以提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度和精細(xì)度、在大量觀測(cè)信息的基礎(chǔ)上縮短地震概率計(jì)算時(shí)間從而為決策提供依據(jù)。
那么，能夠比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快執(zhí)行普適任務(wù)的通用型量子計(jì)算機(jī)何時(shí)能夠問(wèn)世？王浩華表示，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要操控?cái)?shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，在可預(yù)見的未來(lái)這個(gè)目標(biāo)不太現(xiàn)實(shí)。所以我們希望能夠構(gòu)造一個(gè)包含50個(gè)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(jí)計(jì)算機(jī)。
（文/攝影 馬宇丹）
