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10月,中国有过双喜临门!却没有多少人知道

据报道,2021年10月,我国量子计算领域双喜临门:“祖冲之号”和“九章”的2.0升级版——“祖冲之二号”“九章二号”均成功构建。

“祖冲之二号”构建了66比特可编程超导量子计算原型机。“九章二号”则再次刷新国际光量子操纵的技术水平,处理特定问题比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍。这意味着,我国已成为世界上唯一在超导量子和光量子两种体系下达到“量子优越性”里程碑的国家。

几十年间,量子计算机一步步从科学家的大胆构想中走向现实。这一路经历了怎样的曲折过程?世界上至今有哪些量子计算机?“祖冲之号”和“九章”的2.0版实现了怎样技术升级?请看本期解读。

道阻且长,行则将至

1981年,诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出了两个富有洞察力的问题:经典计算机是否能有效模拟量子系统?舍弃经典的图灵机模型而利用具有奇特性质的量子材料,能否构建模拟量子系统的计算机?

这是人类首次提出量子计算机概念。量子计算机的时代帷幕也由此拉开。

量子计算意义深远,因为它开启了一种全新的计算模式。古希腊数学家毕达哥拉斯说,任何事情都可用数来代表。也就是说,任何问题都可变成一个函数计算:输入一个数,通过一个模型演化运算,再输出一个数。

这个模型就像一个黑匣子,利用经典力学时就是我们现在正在使用的经典图灵机,利用量子力学时就是全新的量子计算机。

一个标准的量子计算机,通常需要具备3个基本模块:一是软件系统,即量子算法;二是量子信息控制系统,即量子电路,用来确保量子计算中可靠的底层信息处理,这相当于操作系统和编程;三是硬件体系。

三者中首先取得重大突破的是量子算法。影响最大的有两种算法:一种是诞生于1994年的舒尔(SHOR)算法,用于破解大质因数分解,可将分解5000位数字的时间从50亿年减到2分钟,在密码破译方面潜力巨大;另一种是诞生于1996年的格罗弗(GROVE)算法,即量子搜索算法,可从大量无序的对象中快速找到需要的东西,解决“最短路径搜寻”“大海捞针”等一些经典计算机很难解决的优化问题。

三者中进展最慢的是物理硬件。制备大规模量子计算机,长期以来挑战性极大,对于多个量子比特的有效测量和规模化集成更是难上加难。因为量子计算机本身就是一个矛盾体,一方面要把量子比特从环境中完全孤立出来,另一方面又要控制它们并使之相互作用。好比每个光子都有很好的量子性能,但要控制很多光子达到像一个光子那样的性能,就不是那么容易了。

科学家们一直在矛盾的“夹缝”中寻找出路。量子态是脆弱和敏感的,极易受到周围环境影响。在宏观世界中去建造一台量子比特数足够多、操控保真度足够高的量子计算机,让无形的量子服从命令,简直需要“巫师一般的魔法”。

经过科研人员几十年的不懈努力,量子计算机陆续形成,现整体处在早期发展阶段。如果类比经典计算机,大体在电子管时代,可谓“道阻且长,行则将至;行而不辍,未来可期”。

百舸争流,奋楫者先

目前,世界上都有哪些量子计算机?

根据量子比特的制备方式不同,主流的技术路径有超导量子、光量子、离子阱、半导体量子点量子以及量子拓扑等。前4种路径均已制作出量子计算原型机。

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