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成就了这一步,量子总括机的增添恐怕指日可待

原标题:做到了这一步,量子计算机的扩展也许指日可待

作者:孙誉昊 班级:1402019 学号:14020199003

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我写过不少关于量子计算的文章,实际上主要是两类:一类是基于量子门的计算,另一类是绝热量子计算。其实还有第三种,叫做“量子行走”。所谓量子行走,用自然界的例子来说,就是光合作用过程中电子转移的工作原理。当前,研究者已经能够催动整块的原子云“齐步走”,实现量子行走。

【嵌牛导读】:5月3日消息,光量子计算机诞生,到底什么是光量子计算机呢?好消息,中国光量子计算机于近日诞生,这将是科学家的一个重大突破。

原标题:我国量子计算机研究获重大进展:世界首台超越早期经典计算机的量子计算机问世

光可以实现量子行走,但需要配备一台新式计算机来算出每一步。不过,在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质的关系都反过来了。研究人员就是通过这个原理实现了玻色凝聚态下的量子行走。

【嵌牛鼻子】:光量子计算机

埃尼阿克作为世界上第一台经典算法计算机,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。近日,由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了两项重大突破性进展,将为量子计算时代的到来奠定坚实的技术基础。

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【嵌牛提问】:光量子计算机会为我国科学研究带来哪些帮助?

世界首台超越早期经典计算机的量子计算机问世

图为计算机中的玻色-爱因斯坦凝聚模型,类似波的特点清晰可见。

【嵌牛正文】:5月3日,科技界迎来了一个振奋人心的消息:世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生!这标志着我国的量子计算机研究领域已迈入世界一流水平行列。据悉,该光量子计算机是由中科大、中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、浙江大学、中科院物理所等协同完成参与研发的,是货真价实的“中国造”。

在光学体系上,该研究团队在2016年已实现国际最高水平的十光子纠缠操纵。今年,在这一基础上,又利用我国自主研发的高品质量子点单光子源构建了世界首台在性能上能够超越早期经典计算机的单光子量子计算机。最新实验测试表明,该原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有类似的实验加快至少
24000 倍,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
10-100 倍。

三类量子计算机

以前,量子计算速度比经典计算机快还只是停留在理论中,而该台原型机将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。这是历史上第一台超越早期经典计算机量子模拟机,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。

进入正题之前,我想先对不同类型的量子计算机做一番简要的比较。量子门是大家最熟悉的,就是通过一个量子门的集合来完成严谨的逻辑运算,末端读出结果。

打破世界纪录 实现10个超导量子比特纠缠

绝热量子计算则不涉及严谨运算,而是将问题转化为实现某一能量景观的最低能耗,打个比方,解决方案就在丘壑地区的深谷之中。思路是这样的:先从一片平滑的碗状地带入手,逐渐制造出“山陵”,直至量子位落入最深的“谷底”,计算结束。读出量子位的值,问题就解决了。

量子计算机是指利用量子相干叠加原理,理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。如果将传统计算机比作自行车,量子计算机就好比飞机。使用亿亿次的“天河二号”超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组,所需时间为100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组,仅需0.01秒。

在超导体系,该研究团队自主研发了10比特超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。这一成果打破了美国之前保持的9个量子比特操纵的记录,形成了一个完整的超导计算机的系统,使我国在超导体系量子计算机研究领域也进入世界一流水平行列。

而量子行走跟量子门、绝热计算都不一样。对于量子行走来说,问题转化为一系列的线路。一个量子态将同时出现在所有可能的线路中,但各条线路会相互干涉,而包含了答案的那条线路出现量子态的概率更高,其他线路的概率则较低。换而言之,先放进一个微观物体——比方说一个光子,然后测量光子出现的位置,就能找到答案。

据中科院院士潘建伟介绍,研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,构建出光量子计算原型机,该原型机的“玻色取样”速度比业界快了2.4万倍。通过和经典算法比较发现,这台光量子计算原型机比人类首台电子管计算机(ENIAC)和首台晶体管计算机(TRADIC)运行速度提高10至100倍。预计在2017年底,研究团队将实现约20个光量子比特的操纵。

根据计划,潘建伟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,
20
个超导量子比特样品的设计、制备和测试,量子计算机的速度将会成指数增长。

此时的思路是这样的:制造一套相互关联的线路,将有待解决的问题编入其中。如果说一个光子是一个量子位,那么光纤就是实现上述方案的材料。先使光纤相互耦合,确保量子位沿多条线路游走并自我干涉。耦合的强度决定了每一根光纤中光子的“数量”,而光纤的长度决定了干涉的性质是有益还是有害。

量子计算机是指利用量子相干叠加原理,理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。随着可操纵的粒子数的增加,量子计算机的计算能力呈指数增长,可以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,具有巨大的发展潜力。一台操纵
50个微观粒子的量子计算机,对一些特定问题的处理能力甚至比超级计算机更强。如果现在经典计算机的速度是自行车,那量子计算机的速度就好比飞机。并行计算让量子计算机一秒钟就可完成超级计算机几年的计算任务,几天内就能解决传统计算机花费数百万年时间才能处理的问题。正是因为其广阔的发展前景,许多欧美发达国家以及大型高科技公司纷纷布局相关研究。

光的量子行走固然好,但每一根光纤须得维持不变:光纤的长度以及不同光纤之间的耦合强度无法及时调整。说到底,这种基于光学量子行走的计算机,缺少可编程的因素。

目前,发展这一技术的关键在于如何通过发展高精度、高效率的量子态制备与相互作用控制技术,实现规模化量子比特的相干操纵。国际上学术界对于量子计算技术的研究主要基于光子、超冷原子和超导线路三个体系上。我国科学家日前在光子和超导线路上取得的重大突破,对于量子计算机的研究与应用具有标志性意义。

像光一样流动的物质

此外,在超导体系,该研究团队打破了由美国保持的9个量子比特操纵记录,自主研发了10比特超导量子线路样品,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。

在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质扮演的角色可以互换。所谓玻色凝聚,指处在同一量子态的冷原子的集合。简而言之,该集合的行为就像单个粒子一样整齐划一。这时候如果用脉冲光对其加以轰击,这颗“粒子”将以一定频率震颤,导致漂移。至于漂移的方向,取决于玻色凝聚的内部状态。

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