光量子计算机诞生 到底什么是光量子计算机？

作者：孙誉昊 班级：1402019 学号：14020199003

【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。

【嵌牛鼻子】：光量子计算机

【嵌牛提问】：光量子计算机会为我国科学研究带来哪些帮助？

【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”。

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。

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。

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。

两年前，阿里巴巴和中科院合作成立了亚洲首个量子计算实验室，开展在量子信息科学领域的前瞻性研究，探索超越经典计算机的下一代超快计算技术。双方很快就取得了优异的成绩，将量子计算从学术带到了现实世界。在今年3月的深圳云栖大会上，阿里云公布了全球首个云上量子加密通讯案例，通过建立多个量子安全传输域，为客户提供无条件安全数据传输服务。

在不久前的一场技术大会上，马云宣布启动阿里巴巴的“NASA计划”，并说“现在所研究的目标是为了解决10年、20年后的困难。”量子计算就是阿里巴巴解决20年后计算资源稀缺的秘密武器。

预计到2025年，量子计算将达到当今世界最快的超级计算机的水平，将应用于一些目前无法解决的重大科技难题。

中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学教授王浩华研究组，近期在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列突破性进展。

在光学体系方面，研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上，利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。在超导体系方面，研究团队打破了之前由谷歌、美国国家航空航天局（NASA）和加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）公开报道的九个超导量子比特的操纵，实现了目前世界上最大数目的十个超导量子比特的纠缠，并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。

相关系列成果发表于国际学术期刊《自然-光子学》和《物理评论快报》上。

量子计算利用量子相干叠加原理，在原理上具有超快的并行计算和模拟能力，计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，可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。一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可超过超级计算机。

量子计算技术主要通过发展高精度、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。由于其巨大的潜在价值，欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源，开展协同攻关，同时，谷歌、微软、IBM等大型高科技公司也强势介入量子计算研究。

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。在光子体系方面，潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平，并于2016年底把纪录刷新至十光子纠缠。在此基础上，团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。

实验测试表明，该原型机的“玻色取样”不仅比之前国际同行所有类似实验提速至少24000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。5月2日，该研究成果以长文的形式在线发表于《自然-光子学》。

这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一被国际学术界称为“量子称霸”的目标，奠定了坚实的基础。朝着这一目标，潘建伟团队计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵。

在超导体系方面，2015年，谷歌、NASA和UCSB宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵，这一记录在2017年被中国科学家团队首次打破。朱晓波、王浩华和陆朝阳、潘建伟等合作，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十比特量子态。

研究团队进一步利用超导量子线路演示了求解线性方程组的量子算法，证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性，相关成果即将发表于《物理评论快报》。研究团队目前正致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试，并计划于今年年底前发布量子云计算平台。