量子(zi)(zi)計算(suan)(suan)是世界(jie)科(ke)技(ji)前(qian)沿(yan)的(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)重(zhong)點研(yan)究方(fang)向(xiang)，5月7日，《科(ke)學》雜志發(fa)表(biao)潘建偉院士團(tuan)隊的(de)(de)研(yan)究成果，其成功研(yan)制了目前(qian)國際(ji)上超(chao)導量子(zi)(zi)比特數量最多(duo)的(de)(de)量子(zi)(zi)計算(suan)(suan)原型機“祖沖之號”，并在(zai)此基礎上實現了可編程的(de)(de)二維量子(zi)(zi)行走(zou)。此前(qian)不久，由我國科(ke)研(yan)人員主導的(de)(de)國際(ji)團(tuan)隊在(zai)國際(ji)權威期刊上發(fa)表(biao)論(lun)文(wen)披露(lu)，他們研(yan)發(fa)出一(yi)(yi)款新型可編程光(guang)量子(zi)(zi)計算(suan)(suan)芯片，實現了多(duo)種圖論(lun)問題的(de)(de)量子(zi)(zi)算(suan)(suan)法求解(jie)，有望(wang)應用在(zai)數據搜索(suo)、模式識別(bie)等領域。這是世界(jie)上首款面(mian)向(xiang)圖論(lun)問題求解(jie)的(de)(de)光(guang)量子(zi)(zi)芯片。

　　那么(me)，什么(me)是量子計算？新型(xing)可編(bian)程(cheng)光量子計算芯片研制成功(gong)為(wei)什么(me)能引起業內眾多(duo)關(guan)注？

　　對(dui)此，記者采訪了新(xin)型可編程光量子(zi)計(ji)算芯片(pian)論文(wen)第(di)一作者，軍事(shi)科(ke)學(xue)院國(guo)防科(ke)技創新(xin)研(yan)究(jiu)院強曉剛(gang)研(yan)究(jiu)員。

　　量子計算：顛覆傳統(tong)計算的(de)新(xin)概(gai)念

　　量(liang)子計算是(shi)一種(zhong)建立在量(liang)子力學基礎上的新型計算模型，其基本計算單元是(shi)量(liang)子比特(te)。

　　強(qiang)曉剛(gang)介紹，量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特(te)與我們(men)熟悉的經(jing)典(dian)比(bi)特(te)不一樣(yang)，經(jing)典(dian)比(bi)特(te)要么(me)是0要么(me)是1，而量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特(te)由于量(liang)子(zi)(zi)疊加性質，可以同(tong)時處在0或1的狀(zhuang)態(tai)。這(zhe)樣(yang)對一個(ge)處于疊加狀(zhuang)態(tai)的量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特(te)進行操(cao)(cao)控時，就相當于同(tong)時對0和(he)1兩個(ge)態(tai)進行了(le)操(cao)(cao)控。

　　“以一枚硬幣做比喻，經典(dian)的(de)(de)計算只存在(zai)于‘正面’和‘反面’，而量子(zi)(zi)計算則不僅于此。隨(sui)著量子(zi)(zi)比特(te)數目(mu)的(de)(de)增加，這種(zhong)量子(zi)(zi)比特(te)的(de)(de)疊加性質(zhi)蘊含著巨大的(de)(de)計算潛力。”他說。

　　上(shang)個(ge)世紀(ji)80年(nian)代(dai)，美國物理學家費曼提(ti)出用(yong)量(liang)子(zi)(zi)物理系統來構造計算機的(de)想法(fa)(fa)。上(shang)世紀(ji)90年(nian)代(dai)，能用(yong)于大數(shu)質因(yin)子(zi)(zi)分解的(de)Shor算法(fa)(fa)和能夠實(shi)現快(kuai)速搜(sou)索的(de)Grover算法(fa)(fa)被先后提(ti)出，分別展(zhan)示了量(liang)子(zi)(zi)計算在密(mi)碼破譯、數(shu)據搜(sou)索方面的(de)巨大潛力。2000年(nian)之后，隨著量(liang)子(zi)(zi)計算理論的(de)發展(zhan)，量(liang)子(zi)(zi)計算機的(de)硬件實(shi)現方面也(ye)在不斷發展(zhan)，包括(kuo)超導、離(li)子(zi)(zi)阱(jing)、光(guang)子(zi)(zi)、量(liang)子(zi)(zi)點、拓撲(pu)等(deng)多種物理體(ti)系的(de)不同(tong)技(ji)(ji)術(shu)路(lu)線都在進步。近(jin)幾年(nian)，谷歌、IBM、微軟、英特(te)爾等(deng)高科技(ji)(ji)公司投入量(liang)子(zi)(zi)計算技(ji)(ji)術(shu)的(de)研究，甚至掀起“比特(te)數(shu)大戰”，量(liang)子(zi)(zi)計算硬件系統的(de)系統規模、操控精度等(deng)方面都得到快(kuai)速發展(zhan)。

　　“作為(wei)新興的(de)前沿技術，量子計(ji)算技術在國防軍(jun)事(shi)(shi)領域也(ye)同樣具有(you)巨大(da)應(ying)用(yong)潛(qian)力。”強(qiang)曉(xiao)剛(gang)表示(shi)，比(bi)如，量子計(ji)算可(ke)以快速地(di)分解(jie)大(da)數質(zhi)因子，這(zhe)將對(dui)現有(you)的(de)密碼(ma)系統(tong)產(chan)生威(wei)脅；可(ke)以快速地(di)實現數據搜索、完(wan)成線性(xing)方程組求解(jie)等(deng)，這(zhe)可(ke)以在軍(jun)事(shi)(shi)大(da)數據處理(li)、戰場智能規劃等(deng)應(ying)用(yong)方面發揮作用(yong)；在物(wu)理(li)化學分子模擬方面也(ye)具有(you)計(ji)算優勢，可(ke)以幫助設計(ji)尋找(zhao)新的(de)武器(qi)材料等(deng)。

　　光量子芯片(pian)：規模(mo)化量子計算的(de)潛力途徑

　　在實現量子(zi)計(ji)算的超(chao)導、離子(zi)阱(jing)、光(guang)子(zi)、量子(zi)點(dian)、拓(tuo)撲等多種物理體系中，光(guang)子(zi)系統具有抗外(wai)界(jie)干擾能力強、操(cao)作精(jing)度(du)高(gao)、可室溫工作等特點(dian)，發展非常快速。

　　光(guang)量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)就是將量(liang)(liang)子(zi)比特信息編碼在單個光(guang)子(zi)上，通過(guo)對光(guang)子(zi)進行量(liang)(liang)子(zi)操控及測量(liang)(liang)來實現量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)。光(guang)量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)芯片(pian)技術(shu)是采用(yong)傳(chuan)統的(de)微(wei)納加工工藝在單個芯片(pian)上集(ji)成大量(liang)(liang)的(de)光(guang)量(liang)(liang)子(zi)器件來實現量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)過(guo)程(cheng)，具有高集(ji)成度、高精確度、高穩(wen)定(ding)性(xing)等優勢，是實現大規模(mo)可實用(yong)化(hua)量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)機(ji)非常(chang)有潛(qian)力的(de)途徑。

　　自2008年以(yi)來，光量子芯片技術(shu)迅速(su)發展。

　　“2018年，我們(men)(men)首次實現了(le)(le)基于(yu)光(guang)子(zi)(zi)系(xi)統的(de)(de)通用兩(liang)比特光(guang)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)，就是采(cai)用了(le)(le)光(guang)量(liang)子(zi)(zi)芯片(pian)技(ji)(ji)術。我們(men)(men)基于(yu)硅基集成光(guang)學(xue)技(ji)(ji)術研(yan)(yan)制了(le)(le)通用兩(liang)比特光(guang)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)芯片(pian)，集成了(le)(le)超過200個光(guang)量(liang)子(zi)(zi)器(qi)件，能夠實現任意的(de)(de)兩(liang)比特量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)應用。這(zhe)項工作(zuo)成功(gong)地展示(shi)了(le)(le)硅基集成光(guang)學(xue)技(ji)(ji)術在(zai)實現大規模(mo)光(guang)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)芯片(pian)方面的(de)(de)潛力。”強曉(xiao)剛介紹，“在(zai)之前的(de)(de)研(yan)(yan)究基礎上，我們(men)(men)瞄準特定應用研(yan)(yan)制了(le)(le)一(yi)款新型的(de)(de)可編(bian)程光(guang)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)芯片(pian)，能夠進(jin)行量(liang)子(zi)(zi)漫(man)步可編(bian)程動態(tai)模(mo)擬(ni)，從而支持實現圖論(lun)問(wen)題量(liang)子(zi)(zi)算(suan)(suan)法，未來(lai)可能應用在(zai)數據庫(ku)搜(sou)索(suo)、模(mo)式(shi)識別等(deng)領域。相對于(yu)通用量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)，這(zhe)種專用光(guang)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)芯片(pian)有可能可以率先實用化。”

　　這里的(de)量(liang)子漫步(bu)，又稱量(liang)子行(xing)走，是(shi)量(liang)子計算領域的(de)一類(lei)重要計算模型。它是(shi)基于量(liang)子力學基本原理，對應于經典的(de)隨機漫步(bu)所(suo)提(ti)出的(de)，是(shi)許(xu)多量(liang)子算法的(de)理論內核。

　　“舉(ju)例(li)來說，在一(yi)維直線上(shang)(shang)從原點出發，每走一(yi)步(bu)(bu)之前拋(pao)一(yi)枚(mei)硬(ying)幣，如果硬(ying)幣正面(mian)朝(chao)上(shang)(shang)，則向左一(yi)步(bu)(bu)，反之則向右一(yi)步(bu)(bu)，不(bu)(bu)斷重復這(zhe)個過(guo)程，就形成了一(yi)維直線上(shang)(shang)的(de)經(jing)典隨(sui)機漫(man)步(bu)(bu)。而在量子(zi)(zi)世(shi)界里，一(yi)個量子(zi)(zi)粒子(zi)(zi)具有量子(zi)(zi)疊加以及干涉等性質(zhi)，就可(ke)以同(tong)時向左和向右走，這(zhe)樣所形成的(de)量子(zi)(zi)漫(man)步(bu)(bu)具有與(yu)經(jing)典隨(sui)機漫(man)步(bu)(bu)完全(quan)不(bu)(bu)同(tong)的(de)性質(zhi)。利用量子(zi)(zi)漫(man)步(bu)(bu)的(de)這(zhe)些獨特性質(zhi)就可(ke)能設計出計算速度更快(kuai)的(de)量子(zi)(zi)算法。”他說。

　　強曉剛介紹：“在最近的(de)研究工作中，我們(men)所實現的(de)可編(bian)程光量(liang)(liang)子(zi)(zi)計算(suan)芯(xin)片能夠對量(liang)(liang)子(zi)(zi)漫步的(de)演化(hua)時間、哈密頓量(liang)(liang)、粒子(zi)(zi)全同性、粒子(zi)(zi)交換特性等要素進行完全調控，實現不同參數的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)漫步過(guo)程，從而支(zhi)持(chi)運行一系列基于量(liang)(liang)子(zi)(zi)漫步模型的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)算(suan)法，比(bi)如(ru)圖(tu)頂點(dian)搜索、圖(tu)同構等圖(tu)論問(wen)題的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)算(suan)法。”

　　記(ji)者了解到，這款芯片(pian)在(zai)國際(ji)上(shang)首次實(shi)現(xian)了多粒子(zi)(zi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)漫(man)(man)(man)步的(de)可(ke)(ke)(ke)編程動態模(mo)(mo)擬，最大的(de)亮點有2個(ge)：一(yi)是它的(de)可(ke)(ke)(ke)編程性，通過電學調(diao)控片(pian)上(shang)元件來(lai)實(shi)現(xian)不同(tong)參數的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)漫(man)(man)(man)步模(mo)(mo)擬，從而支持基(ji)(ji)于量(liang)(liang)子(zi)(zi)漫(man)(man)(man)步模(mo)(mo)型的(de)不同(tong)量(liang)(liang)子(zi)(zi)算法運行(xing)；二是它的(de)可(ke)(ke)(ke)擴展性，與通用(yong)量(liang)(liang)子(zi)(zi)計算相比(bi)，所(suo)提出的(de)芯片(pian)架構相對簡單，基(ji)(ji)于硅光技術能(neng)夠更容易進行(xing)擴展，來(lai)實(shi)現(xian)未來(lai)可(ke)(ke)(ke)實(shi)用(yong)化的(de)光量(liang)(liang)子(zi)(zi)計算系統。

　　未來發展：機遇無限卻任重道遠

　　量子計算(suan)(suan)技(ji)術的(de)(de)研究，特別是光量子芯片研制，涉及(ji)物(wu)理、數(shu)學、電子、半導體、計算(suan)(suan)機等多學科(ke)背景(jing)的(de)(de)前沿(yan)交叉領域，需(xu)要(yao)多學科(ke)深(shen)度融合(he)、團隊(dui)集體合(he)力。新型可(ke)編程光量子芯片就是由來自(zi)軍(jun)事科(ke)學院、國(guo)防科(ke)技(ji)大(da)學、中山大(da)學等科(ke)研機構組成的(de)(de)聯(lian)合(he)團隊(dui)共同(tong)完成的(de)(de)，集合(he)了國(guo)內(nei)外從事光量子計算(suan)(suan)領域研究的(de)(de)很多專家的(de)(de)力量。

　　“當然，隨(sui)著芯片(pian)(pian)規模的增(zeng)大，它的計(ji)算(suan)能力將不斷(duan)增(zeng)長(chang)。但(dan)芯片(pian)(pian)上(shang)元(yuan)件之間的串(chuan)擾(rao)、噪聲等因素也隨(sui)之逐漸增(zeng)大，如(ru)何實現芯片(pian)(pian)計(ji)算(suan)過(guo)程中的糾錯(cuo)容(rong)錯(cuo)是一(yi)項技術(shu)挑戰。”強曉剛(gang)說，同(tong)時，如(ru)何實現片(pian)(pian)上(shang)的多光子產生及操控(kong)也是需要解(jie)決的另一(yi)技術(shu)挑戰。

　　“解決(jue)這(zhe)些挑戰(zhan)，一方(fang)面我們需要不斷優化器(qi)件設計、提升芯片(pian)研制(zhi)水平，另(ling)一方(fang)面也可以利用智(zhi)能算法等從軟件層面來補償芯片(pian)噪聲(sheng)誤差等。”他說。

　　美國(guo)、英(ying)國(guo)、歐(ou)盟等(deng)都非(fei)常重視量(liang)(liang)(liang)(liang)子計(ji)(ji)算(suan)等(deng)量(liang)(liang)(liang)(liang)子信息技(ji)術(shu)(shu)的發(fa)展(zhan)(zhan)，特(te)別(bie)是國(guo)外高科技(ji)企業如谷歌、IBM、微軟(ruan)、英(ying)特(te)爾等(deng)企業在量(liang)(liang)(liang)(liang)子計(ji)(ji)算(suan)技(ji)術(shu)(shu)方(fang)面(mian)投入了大(da)量(liang)(liang)(liang)(liang)資源，在推動量(liang)(liang)(liang)(liang)子計(ji)(ji)算(suan)技(ji)術(shu)(shu)由基礎研究向工程化發(fa)展(zhan)(zhan)邁進方(fang)面(mian)取得了顯(xian)著(zhu)的成效(xiao)。我(wo)國(guo)在量(liang)(liang)(liang)(liang)子技(ji)術(shu)(shu)領域的布(bu)局(ju)、研究方(fang)面(mian)，也走在了世(shi)界的前列。應(ying)該說中(zhong)國(guo)在量(liang)(liang)(liang)(liang)子技(ji)術(shu)(shu)領域已經(jing)占有一席之地，特(te)別(bie)是在量(liang)(liang)(liang)(liang)子通(tong)信、光量(liang)(liang)(liang)(liang)子計(ji)(ji)算(suan)等(deng)方(fang)向上處(chu)于國(guo)際先進水平。

　　記者注意到，不久前(qian)(qian)發布的(de)《中(zhong)華人民共和(he)國國民經濟和(he)社會發展第十四個五年(nian)規劃和(he)2035年(nian)遠景(jing)目標綱要(yao)》，明(ming)確提出要(yao)瞄準人工智能(neng)、量子(zi)(zi)信息、集(ji)成電路(lu)、生命健康、腦科(ke)學等前(qian)(qian)沿領域(yu)，實施(shi)一(yi)批具有(you)前(qian)(qian)瞻性(xing)、戰略性(xing)的(de)國家重大科(ke)技(ji)項目。量子(zi)(zi)信息的(de)重要(yao)性(xing)可見一(yi)斑(ban)。今年(nian)教育部也新增了(le)(le)量子(zi)(zi)信息科(ke)學專業，這意味著量子(zi)(zi)技(ji)術領域(yu)在人才培(pei)養、科(ke)研發展方面進入了(le)(le)新的(de)階(jie)段(duan)。

　　“對于我們(men)從事量子計算領域研究(jiu)的(de)科研人(ren)員來說(shuo)，能夠將國家需要和個(ge)人(ren)專(zhuan)業(ye)結合起(qi)來，開展研究(jiu)工(gong)作，非常令人(ren)振奮。”強(qiang)曉剛(gang)說(shuo)。