5月3日有个消息刷屏:中国研制成功世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机
这支研究团队有满满的浙江元素,但我们还是先请科学家来科普一下——

5分钟,让你搞懂量子计算机

章咪佳

2017年05月04日08:49  来源:钱江晚报
 
原标题:5分钟,让你搞懂量子计算机

请你一定要耐心地读完这个开头——

中国科学技术大学潘建伟院士及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,成功构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。

这台由中国科学家团队自主研发的10比特(注:信息量单位,二进制数的一位包含的信息=1比特 )超导量子线路样品,通过发展全局纠缠操作,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。

我知道的,你快要原地爆炸了。我马上写大家都看得懂的“白话文”:

中国科学家发明了一台很厉害的计算机——横向和世界上别的同类计算机比,它胜一筹;纵向和历史上的计算机比,计算能力让前辈望尘莫及。

这台计算机长什么样,到底牛到哪个程度?

我们特别邀请浙江省海创科技交流研究院专家、量子猫科学馆创始人李志峰老师来为大家作科学解读。

李老师曾在奥地利维也纳大学理论物理就读博士,与浙江东阳籍的潘建伟是师兄弟。

传统计算机好比两指弹琴

量子计算机就是千手观音弹琴

Q:量子做的计算机,量子是什么?在哪儿呢?

量子是一个能量的最小单位,所有的微观粒子包括分子、原子、电子、光子,它们都是量子的一种表现形态。

这个世界本身都是由微观粒子组成的。所以某种意义上讲,我们这个世界就是由量子组成的。

人类可都是24K纯量子产品。“噗”,大家呼一口气,那就是上万亿量子的进出。

到本世纪初,在人们的周围随处可见直接或间接运用量子理论的技术和装置:从常见的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统,从无水涂料到激光制动车闸,从医院的磁共振成像仪到隧道扫描显微镜……量子技术已经渗透到人们的生活中。

Q:中国这台量子计算机,是世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,它比前辈牛在哪里?

早期经典的计算机是二进制的。意思是说,它们只能用“0”和“1”,来记录所有的信息状态,每一步能做到的只有2的一次方——2次运算。

量子计算机,由量子状态来描述信息,它们拥有更快速的运算方式。

比如,2个量子态(也可以称作“2个比特”)的量子计算机,每一步可做到2的2次方——也就是4次运算。3个比特的量子计算机,每一步可以对信息做到2的3次方——8次计算。

中国科学家现在能把量子计算机做到什么水平呢?

中国的量子计算机有10个比特。也就是说,这台量子计算机,每一步可做2的10次方,也就是1024次运算。

举个例子,如果传统计算机,好比两个手指戳戳钢琴键,那么中国的这台量子计算机就相当于是千手观音弹钢琴,有1024个手指,在同时操作。

这样弹出来的乐曲是不是要丰富、流畅得多?

中国量子计算机的首次实验测试,也证明了它的速度优势——不仅比国际同行类似的实验加快至少2.4万倍。同时,通过和经典算法比较,也比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍。

全世界都在攻关量子计算机

为什么这么难制造

Q:这台量子计算机已经成型了吗?

目前这台机器还处于原始状态,是一台只有元器件和光学仪器的原型机。大小大约占3平方米不到。

Q:3平方米也不小了,量子计算机以后可以出笔记本电脑吗?

如果做到更加实用化,比如将核心元件压缩成CPU,量子计算机体积也可以大幅缩小。

Q:对于量子计算机能够容纳多少个光量子,世界上的几个团队一直在暗暗较劲。

2015年,谷歌、NASA(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。

今年上半年,谷歌也曾宣布要发布10比特的量子计算机,结果被中国科学家团队超车。

接下去,大家还要继续1个比特挨着1个比特地“咬”,以至于达到“量子霸权”。

为什么大家都在紧咬这个研究,“量子霸权”到底牛在哪里?

“量子霸权”是加州理工学院物理学家John Preskill发明的名词。

通俗来讲就是:目前的超级计算机系统,能完成5到20个量子比特的量子计算机所做的事情。但达到约50个量子比特之后,量子计算机的能力将一骑绝尘,超级计算机只能望“量子”兴叹。

50比特的量子计算机,一步就能进行2的50次方运算,等于1125899906842000,即一千万亿次计算,已经达到全球排名第五、中国天河一号超级计算机现在的计算能力。

如果真的到了那一天,现在的电子计算机就相当于以前的算盘,显得笨重又古老了。

Q:为什么光量子的量越多,量子计算机越难制造?

量子计算机中的量子,必须处于彼此纠缠的状态中才能工作。而光量子数量越多,纠缠状态的稳定性就越差。

Q:潘建伟团队是怎么把量子纠缠起来的?

在-220℃以下的降温超导环境中,作纠缠。纠缠速度很快的,“嗖”的一记,10个量子就纠缠在一起了。

量子计算机会带来哪些改变

至少天气预报会更准确

Q:潘建伟团队在2016年发射了世界首颗量子卫星“墨子号”。量子卫星的一项实验,就是验证量子保密通信。量子纠缠而成的密码,具有不可复制性和绝对安全性。一旦有人窃取密码,整个通信信息就会“自毁”并告知使用者。

那么量子计算机的发明,有一项重要的功能就是解密,那么潘教授的“矛”——量子计算机,会不会破解他发明的“盾”——量子密钥呢?

不能,量子密钥不可被破解。

但是量子计算机有能力高效破解其他方式形成的通讯方式。当然,量子计算机有更多别的用途。

比如,“知乎”上最热门的问题之一——天气预报为什么总是不准?

因为关乎天气变化的因素实在是太多了。海洋、云层、风……连地球另外一端的蝴蝶拍拍翅膀,都有可能影响这一头的天气。而目前的计算机系统,还搞不定那么多因素的计算。但是换成量子计算机,未来就可以突破这个难题,它的运算能力能让气象预报更争气。

(责编:张帆、翁迪凯)