揭开中国量子计算机“婴儿”的神秘面纱
新华社北京5月13日电（记者 喻菲 徐海涛 周琳）位于上海的中科院量子信息和量子科技创新研究院的一间实验室内，三平米的实验台上看似毫无章法、密密麻麻地布满大大小小的镜片和古怪的器件，一些电线从上方的支架上垂落下来，旁边的一台仪器发出单调的“啾啾”声。
这是近20位科研工作者经过4年多孕育出的中国量子计算机“婴儿”，它也是世界上首台超越早期经典计算机的光量子计算机，5月初才在世人面前首次亮相。
量子计算所依据的原理是微观世界最诡异的量子纠缠现象。对古人来说，现代电子技术如同巫术，而开启未来科技引擎的量子计算在当今世人眼中又何尝不是。
制造上帝无法区分的光子
这台初具雏形的光量子计算机的研制者之一、中国科学技术大学年仅34岁的陆朝阳教授留着寸头短发，眼镜片藏不住眼中露出的聪慧，人们称他是操纵光子的“巫师”。
中国量子计算机发展路线图。（受访者供图）
“世界上找不到两片一模一样的树叶，但我们可以制造出两个一模一样的光子，可以开玩笑地说连上帝都无法区分，量子力学中叫做‘全同’。两个独立的光子只有一模一样了，才能让它们产生量子干涉，进而纠缠，否则两个光子谁都不理谁。”陆朝阳说。
上帝也无法区分的光子产生于一个单光子源。发出鸣叫声的是制冷机，为单光子源提供零下269摄氏度的低温环境。
“我们这里的单光子目前在国际上综合性能最优，全同性比率达到99.5%，效率比国际上第二名高10倍以上。这是由于我们在2013年创新了一种激发方法，可以大幅度降低噪音。之前国外技术产生的单光子就好像一对玩了泥巴的双胞胎，你可以通过他们身上的泥巴区分他们，而我们制造出的光子就像把双胞胎洗得干干净净，你就分辨不出他们了。”陆朝阳说。
这些光子在实验台上的镜片间跑来跑去，经过10多个波片，改变了偏振信息后被导入一个关键器件——多路分束器，它相当于这台光量子计算机的CPU。在这里，“巫师们”对光子进行操纵。
那些看似横七竖八排列的反射镜、波片、分束器和其他怪异的元器件，其实是“巫师们”独具匠心地设计、组装起来的。
“我们设计出的超低损耗量子线路效率达到99%，而国际上其他研究组的量子线路效率只有30%。”陆朝阳说。
陆朝阳和学生们讨论光量子计算机的运行情况。 （新华社记者 金立旺 摄）
这个“婴儿”诞生以来，只做了一件事：玩了一个叫“玻色取样”的游戏。这是科学家专门设计出来让量子计算机和经典计算机比赛的游戏。
对着显示屏上高低起伏的谱线，“巫师”说：“我们仅操纵了5个纠缠的光子，它就打败了早期的经典计算机。”而“巫师们”在2016年底已可以操纵10个纠缠光子，创造了新的世界纪录。他们计划今年年底实现操纵大约20个量子比特。
“虽然这台光量子计算机还不如你握着的手机计算能力强，但它是一个里程碑。人类历史上第一台电子计算机有几间屋子大，今天我们看它一文不值，但它具有非常重要的科学意义，从科学到技术，再到应用，要一步步走来。”陆朝阳说，最初汽车刚发明时，性能很不可靠，还没有马车方便舒适。但随着技术的发展，汽车终究超过马车。
寻找通往“罗马”的路
陆朝阳的导师、中科院院士潘建伟20多年一直致力于对微观粒子的操控。他的团队近期取得量子计算方面的突破得益于单光子源和超低损耗量子线路方面的进展。“我们早先的路非常艰难，而现在进展越来越快，这意味着量子计算研究就像雨后春笋，到了爆发式成长的节点。”
由于量子计算的巨大潜在价值，欧美各国以及一些大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等都在大力研究。如何实现量子计算，科学家们正在尝试很多种方案，光量子只是其中一种。
从事超导量子计算研究的中国科学技术大学教授朱晓波说：“我所知道的各国在花大力气做的就有七八种路径，中国几个研究团队走在不同的路径上。”
“现在谁也不知道最后哪个技术路线能做成真正有实用价值的量子计算机，有可能条条大路通罗马，好几个方向都做成，只是解的问题不一样，有可能会有不同类型的量子计算机。还有一种可能是，或许某一天从一条无人知道的路径杀出一匹黑马。”朱晓波说。
目前，潘建伟团队在三个方向努力推进：光量子、超冷原子和超导。
潘建伟说，光量子系统是中国的传统优势。但最快能带来实际价值的可能是超冷原子系统。“可能再过一两年，我们的实验室就能达到400个原子的相干操纵，这将是巨大的进步。”
量子计算机研究实验装置。（受访者供图）
而超导量子计算这条技术路径也不能忽视。谷歌、IBM等公司在这一领域做了巨大投入。“这是因为超导量子系统的可集成性和相干性非常好，它的耗电量比经典超级计算机小得多，几乎可以忽略不计。而这方面，中国也具有成熟的技术。”潘建伟说，不同的研究团队应协同创新、相互借鉴。
潘建伟预计，2020年中国有望研制出50个左右量子比特的超导量子计算机，超越目前最强大的超级计算机，实现“量子称霸”。
孕育中的另一个“婴儿”
在量子信息和量子科技创新研究院另一间实验室，超导量子计算机也在孕育之中。与光量子计算机五脏六腑一览无余地铺陈开来不同的是，超导量子计算机的核心部件都包裹在一个悬在空中一米多高的圆柱形罐子里。同样有制冷机发出鸣叫，不过超导量子计算机需要的环境温度更低，达到零下273.15摄氏度。
作为它的主要研制者之一，朱晓波说，他与浙江大学王浩华教授以及陆朝阳、潘建伟合作，用超导材料研制出世界上纠缠数目最多（即10比特）的超导量子芯片。
这个指甲盖大小的芯片就位于圆柱形罐子的底部，巨大的罐子是为了提供芯片工作所需要的极低温、极低噪声的环境。
朱晓波认为，目前这套系统还不能称为一台超导量子计算机。他希望能做出平台和接口，可以让人去访问它。“量子计算机是全新的，怎么运算，很多最顶级科学家也不清楚。我们希望今年年底能做出10量子比特的演示机器。”
他说，目前最困难的是如何提高量子芯片的操控精度。量子芯片是非常脆弱的系统，蝴蝶扇动翅膀的能量都比操控量子的能量高万亿亿倍，所以屏蔽震动、电磁波等造成的环境噪声非常关键。“而这其中特别难做到的是，在提高操控的量子比特数目的同时，还要屏蔽噪声。”
潘建伟认为，中国科学家10年内可以做到100个量子比特的操纵，这样就可以研制出在某些方面有实用价值的量子计算机，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。
朱晓波介绍超导量子计算机芯片。（新华社记者 金立旺 摄）
人类对计算能力的需求永无止境。第一台经典计算机刚问世时，IBM的创始人托马斯·沃森曾说，全世界只需要5台计算机就够了。但现在每人都至少需要一台。
那么未来人人都会有量子计算机吗？
潘建伟预测，全世界有几万或者几百万台量子计算机。“但是我家里肯定不需要有一台，把手机、笔记本电脑造成低温很困难。但我可以使用云计算，通过量子通信把需要计算的任务发送到云端。”
“传统计算机已经能算得很好的问题，我们就不需要用量子计算机。我们要解决的是经典计算机解决不了的问题，例如破译密码、天气预报、药物设计。量子计算还能大力推动人工智能的研究。”潘建伟说：“以后是否有通用的量子计算机，现在还很难说，可能将来的量子计算机跟我们现在想象的都不一样。”
中国量子计算机发展路线图。（受访者供图）
“世界上找不到两片一模一样的树叶，但我们可以制造出两个一模一样的光子，可以开玩笑地说连上帝都无法区分，量子力学中叫做‘全同’。两个独立的光子只有一模一样了，才能让它们产生量子干涉，进而纠缠，否则两个光子谁都不理谁。”陆朝阳说。
上帝也无法区分的光子产生于一个单光子源。发出鸣叫声的是制冷机，为单光子源提供零下269摄氏度的低温环境。
“我们这里的单光子目前在国际上综合性能最优，全同性比率达到99.5%，效率比国际上第二名高10倍以上。这是由于我们在2013年创新了一种激发方法，可以大幅度降低噪音。之前国外技术产生的单光子就好像一对玩了泥巴的双胞胎，你可以通过他们身上的泥巴区分他们，而我们制造出的光子就像把双胞胎洗得干干净净，你就分辨不出他们了。”陆朝阳说。
这些光子在实验台上的镜片间跑来跑去，经过10多个波片，改变了偏振信息后被导入一个关键器件——多路分束器，它相当于这台光量子计算机的CPU。在这里，“巫师们”对光子进行操纵。
那些看似横七竖八排列的反射镜、波片、分束器和其他怪异的元器件，其实是“巫师们”独具匠心地设计、组装起来的。
“我们设计出的超低损耗量子线路效率达到99%，而国际上其他研究组的量子线路效率只有30%。”陆朝阳说。
陆朝阳和学生们讨论光量子计算机的运行情况。 （新华社记者 金立旺 摄）
这个“婴儿”诞生以来，只做了一件事：玩了一个叫“玻色取样”的游戏。这是科学家专门设计出来让量子计算机和经典计算机比赛的游戏。
对着显示屏上高低起伏的谱线，“巫师”说：“我们仅操纵了5个纠缠的光子，它就打败了早期的经典计算机。”而“巫师们”在2016年底已可以操纵10个纠缠光子，创造了新的世界纪录。他们计划今年年底实现操纵大约20个量子比特。
“虽然这台光量子计算机还不如你握着的手机计算能力强，但它是一个里程碑。人类历史上第一台电子计算机有几间屋子大，今天我们看它一文不值，但它具有非常重要的科学意义，从科学到技术，再到应用，要一步步走来。”陆朝阳说，最初汽车刚发明时，性能很不可靠，还没有马车方便舒适。但随着技术的发展，汽车终究超过马车。
寻找通往“罗马”的路
陆朝阳的导师、中科院院士潘建伟20多年一直致力于对微观粒子的操控。他的团队近期取得量子计算方面的突破得益于单光子源和超低损耗量子线路方面的进展。“我们早先的路非常艰难，而现在进展越来越快，这意味着量子计算研究就像雨后春笋，到了爆发式成长的节点。”
由于量子计算的巨大潜在价值，欧美各国以及一些大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等都在大力研究。如何实现量子计算，科学家们正在尝试很多种方案，光量子只是其中一种。
从事超导量子计算研究的中国科学技术大学教授朱晓波说：“我所知道的各国在花大力气做的就有七八种路径，中国几个研究团队走在不同的路径上。”
“现在谁也不知道最后哪个技术路线能做成真正有实用价值的量子计算机，有可能条条大路通罗马，好几个方向都做成，只是解的问题不一样，有可能会有不同类型的量子计算机。还有一种可能是，或许某一天从一条无人知道的路径杀出一匹黑马。”朱晓波说。
目前，潘建伟团队在三个方向努力推进：光量子、超冷原子和超导。
潘建伟说，光量子系统是中国的传统优势。但最快能带来实际价值的可能是超冷原子系统。“可能再过一两年，我们的实验室就能达到400个原子的相干操纵，这将是巨大的进步。”
量子计算机研究实验装置。（受访者供图）
而超导量子计算这条技术路径也不能忽视。谷歌、IBM等公司在这一领域做了巨大投入。“这是因为超导量子系统的可集成性和相干性非常好，它的耗电量比经典超级计算机小得多，几乎可以忽略不计。而这方面，中国也具有成熟的技术。”潘建伟说，不同的研究团队应协同创新、相互借鉴。
潘建伟预计，2020年中国有望研制出50个左右量子比特的超导量子计算机，超越目前最强大的超级计算机，实现“量子称霸”。
孕育中的另一个“婴儿”
在量子信息和量子科技创新研究院另一间实验室，超导量子计算机也在孕育之中。与光量子计算机五脏六腑一览无余地铺陈开来不同的是，超导量子计算机的核心部件都包裹在一个悬在空中一米多高的圆柱形罐子里。同样有制冷机发出鸣叫，不过超导量子计算机需要的环境温度更低，达到零下273.15摄氏度。
作为它的主要研制者之一，朱晓波说，他与浙江大学王浩华教授以及陆朝阳、潘建伟合作，用超导材料研制出世界上纠缠数目最多（即10比特）的超导量子芯片。
这个指甲盖大小的芯片就位于圆柱形罐子的底部，巨大的罐子是为了提供芯片工作所需要的极低温、极低噪声的环境。
朱晓波认为，目前这套系统还不能称为一台超导量子计算机。他希望能做出平台和接口，可以让人去访问它。“量子计算机是全新的，怎么运算，很多最顶级科学家也不清楚。我们希望今年年底能做出10量子比特的演示机器。”
他说，目前最困难的是如何提高量子芯片的操控精度。量子芯片是非常脆弱的系统，蝴蝶扇动翅膀的能量都比操控量子的能量高万亿亿倍，所以屏蔽震动、电磁波等造成的环境噪声非常关键。“而这其中特别难做到的是，在提高操控的量子比特数目的同时，还要屏蔽噪声。”
潘建伟认为，中国科学家10年内可以做到100个量子比特的操纵，这样就可以研制出在某些方面有实用价值的量子计算机，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。
朱晓波介绍超导量子计算机芯片。（新华社记者 金立旺 摄）
人类对计算能力的需求永无止境。第一台经典计算机刚问世时，IBM的创始人托马斯·沃森曾说，全世界只需要5台计算机就够了。但现在每人都至少需要一台。
那么未来人人都会有量子计算机吗？
潘建伟预测，全世界有几万或者几百万台量子计算机。“但是我家里肯定不需要有一台，把手机、笔记本电脑造成低温很困难。但我可以使用云计算，通过量子通信把需要计算的任务发送到云端。”
“传统计算机已经能算得很好的问题，我们就不需要用量子计算机。我们要解决的是经典计算机解决不了的问题，例如破译密码、天气预报、药物设计。量子计算还能大力推动人工智能的研究。”潘建伟说：“以后是否有通用的量子计算机，现在还很难说，可能将来的量子计算机跟我们现在想象的都不一样。”
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