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什么是量子計算？光量子計算芯片何時實用化？

2021-05-13 14:15:32 來源：科技日報

我們瞄準(zhǔn)特定應(yīng)用研制了一款新型的可編程光量子計算芯片，能夠進(jìn)行量子漫步可編程動態(tài)模擬，從而支持實現(xiàn)圖論問題量子算法，未來可能應(yīng)用在數(shù)據(jù)庫搜索、模式識別等領(lǐng)域。相對于通用量子計算，這種專用光量子計算芯片有可能可以率先實用化。

強(qiáng)曉剛軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院研究員

量子計算是世界科技前沿的一個重點(diǎn)研究方向，5月7日，《科學(xué)》雜志發(fā)表潘建偉院士團(tuán)隊的研究成果，其成功研制了目前國際上超導(dǎo)量子比特數(shù)量最多的量子計算原型機(jī)“祖沖之號”，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了可編程的二維量子行走。此前不久，由我國科研人員主導(dǎo)的國際團(tuán)隊在國際權(quán)威期刊上發(fā)表論文披露，他們研發(fā)出一款新型可編程光量子計算芯片，實現(xiàn)了多種圖論問題的量子算法求解，有望應(yīng)用在數(shù)據(jù)搜索、模式識別等領(lǐng)域。這是世界上首款面向圖論問題求解的光量子芯片。

那么，什么是量子計算？新型可編程光量子計算芯片研制成功為什么能引起業(yè)內(nèi)眾多關(guān)注？

對此，記者采訪了新型可編程光量子計算芯片論文第一作者，軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院強(qiáng)曉剛研究員。

量子計算：顛覆傳統(tǒng)計算的新概念

量子計算是一種建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的新型計算模型，其基本計算單元是量子比特。

強(qiáng)曉剛介紹，量子比特與我們熟悉的經(jīng)典比特不一樣，經(jīng)典比特要么是0要么是1，而量子比特由于量子疊加性質(zhì)，可以同時處在0或1的狀態(tài)。這樣對一個處于疊加狀態(tài)的量子比特進(jìn)行操控時，就相當(dāng)于同時對0和1兩個態(tài)進(jìn)行了操控。

“以一枚硬幣做比喻，經(jīng)典的計算只存在于‘正面’和‘反面’，而量子計算則不僅于此。隨著量子比特數(shù)目的增加，這種量子比特的疊加性質(zhì)蘊(yùn)含著巨大的計算潛力。”他說。

上個世紀(jì)80年代，美國物理學(xué)家費(fèi)曼提出用量子物理系統(tǒng)來構(gòu)造計算機(jī)的想法。上世紀(jì)90年代，能用于大數(shù)質(zhì)因子分解的Shor算法和能夠?qū)崿F(xiàn)快速搜索的Grover算法被先后提出，分別展示了量子計算在密碼破譯、數(shù)據(jù)搜索方面的巨大潛力。2000年之后，隨著量子計算理論的發(fā)展，量子計算機(jī)的硬件實現(xiàn)方面也在不斷發(fā)展，包括超導(dǎo)、離子阱、光子、量子點(diǎn)、拓?fù)涞榷喾N物理體系的不同技術(shù)路線都在進(jìn)步。近幾年，谷歌、IBM、微軟、英特爾等高科技公司投入量子計算技術(shù)的研究，甚至掀起“比特數(shù)大戰(zhàn)”，量子計算硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)模、操控精度等方面都得到快速發(fā)展。

“作為新興的前沿技術(shù)，量子計算技術(shù)在國防軍事領(lǐng)域也同樣具有巨大應(yīng)用潛力。”強(qiáng)曉剛表示，比如，量子計算可以快速地分解大數(shù)質(zhì)因子，這將對現(xiàn)有的密碼系統(tǒng)產(chǎn)生威脅；可以快速地實現(xiàn)數(shù)據(jù)搜索、完成線性方程組求解等，這可以在軍事大數(shù)據(jù)處理、戰(zhàn)場智能規(guī)劃等應(yīng)用方面發(fā)揮作用；在物理化學(xué)分子模擬方面也具有計算優(yōu)勢，可以幫助設(shè)計尋找新的武器材料等。

光量子芯片：規(guī)模化量子計算的潛力途徑

在實現(xiàn)量子計算的超導(dǎo)、離子阱、光子、量子點(diǎn)、拓?fù)涞榷喾N物理體系中，光子系統(tǒng)具有抗外界干擾能力強(qiáng)、操作精度高、可室溫工作等特點(diǎn)，發(fā)展非?？焖?。

光量子計算就是將量子比特信息編碼在單個光子上，通過對光子進(jìn)行量子操控及測量來實現(xiàn)量子計算。光量子計算芯片技術(shù)是采用傳統(tǒng)的微納加工工藝在單個芯片上集成大量的光量子器件來實現(xiàn)量子計算過程，具有高集成度、高精確度、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，是實現(xiàn)大規(guī)?？蓪嵱没?span id="6eoiqucao2" class="keyword">量子計算機(jī)非常有潛力的途徑。

自2008年以來，光量子芯片技術(shù)迅速發(fā)展。

“2018年，我們首次實現(xiàn)了基于光子系統(tǒng)的通用兩比特光量子計算，就是采用了光量子芯片技術(shù)。我們基于硅基集成光學(xué)技術(shù)研制了通用兩比特光量子計算芯片，集成了超過200個光量子器件，能夠?qū)崿F(xiàn)任意的兩比特量子計算應(yīng)用。這項工作成功地展示了硅基集成光學(xué)技術(shù)在實現(xiàn)大規(guī)模光量子計算芯片方面的潛力。”強(qiáng)曉剛介紹，“在之前的研究基礎(chǔ)上，我們瞄準(zhǔn)特定應(yīng)用研制了一款新型的可編程光量子計算芯片，能夠進(jìn)行量子漫步可編程動態(tài)模擬，從而支持實現(xiàn)圖論問題量子算法，未來可能應(yīng)用在數(shù)據(jù)庫搜索、模式識別等領(lǐng)域。相對于通用量子計算，這種專用光量子計算芯片有可能可以率先實用化。”

這里的量子漫步，又稱量子行走，是量子計算領(lǐng)域的一類重要計算模型。它是基于量子力學(xué)基本原理，對應(yīng)于經(jīng)典的隨機(jī)漫步所提出的，是許多量子算法的理論內(nèi)核。

“舉例來說，在一維直線上從原點(diǎn)出發(fā)，每走一步之前拋一枚硬幣，如果硬幣正面朝上，則向左一步，反之則向右一步，不斷重復(fù)這個過程，就形成了一維直線上的經(jīng)典隨機(jī)漫步。而在量子世界里，一個量子粒子具有量子疊加以及干涉等性質(zhì)，就可以同時向左和向右走，這樣所形成的量子漫步具有與經(jīng)典隨機(jī)漫步完全不同的性質(zhì)。利用量子漫步的這些獨(dú)特性質(zhì)就可能設(shè)計出計算速度更快的量子算法。”他說。

強(qiáng)曉剛介紹：“在最近的研究工作中，我們所實現(xiàn)的可編程光量子計算芯片能夠?qū)?span id="6eoiqucao2" class="keyword">量子漫步的演化時間、哈密頓量、粒子全同性、粒子交換特性等要素進(jìn)行完全調(diào)控，實現(xiàn)不同參數(shù)的量子漫步過程，從而支持運(yùn)行一系列基于量子漫步模型的量子算法，比如圖頂點(diǎn)搜索、圖同構(gòu)等圖論問題的量子算法。”

記者了解到，這款芯片在國際上首次實現(xiàn)了多粒子量子漫步的可編程動態(tài)模擬，最大的亮點(diǎn)有2個：一是它的可編程性，通過電學(xué)調(diào)控片上元件來實現(xiàn)不同參數(shù)的量子漫步模擬，從而支持基于量子漫步模型的不同量子算法運(yùn)行；二是它的可擴(kuò)展性，與通用量子計算相比，所提出的芯片架構(gòu)相對簡單，基于硅光技術(shù)能夠更容易進(jìn)行擴(kuò)展，來實現(xiàn)未來可實用化的光量子計算系統(tǒng)。

未來發(fā)展：機(jī)遇無限卻任重道遠(yuǎn)

量子計算技術(shù)的研究，特別是光量子芯片研制，涉及物理、數(shù)學(xué)、電子、半導(dǎo)體、計算機(jī)等多學(xué)科背景的前沿交叉領(lǐng)域，需要多學(xué)科深度融合、團(tuán)隊集體合力。新型可編程光量子芯片就是由來自軍事科學(xué)院、國防科技大學(xué)、中山大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合團(tuán)隊共同完成的，集合了國內(nèi)外從事光量子計算領(lǐng)域研究的很多專家的力量。

“當(dāng)然，隨著芯片規(guī)模的增大，它的計算能力將不斷增長。但芯片上元件之間的串?dāng)_、噪聲等因素也隨之逐漸增大，如何實現(xiàn)芯片計算過程中的糾錯容錯是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。”強(qiáng)曉剛說，同時，如何實現(xiàn)片上的多光子產(chǎn)生及操控也是需要解決的另一技術(shù)挑戰(zhàn)。

“解決這些挑戰(zhàn)，一方面我們需要不斷優(yōu)化器件設(shè)計、提升芯片研制水平，另一方面也可以利用智能算法等從軟件層面來補(bǔ)償芯片噪聲誤差等。”他說。

美國、英國、歐盟等都非常重視量子計算等量子信息技術(shù)的發(fā)展，特別是國外高科技企業(yè)如谷歌、IBM、微軟、英特爾等企業(yè)在量子計算技術(shù)方面投入了大量資源，在推動量子計算技術(shù)由基礎(chǔ)研究向工程化發(fā)展邁進(jìn)方面取得了顯著的成效。我國在量子技術(shù)領(lǐng)域的布局、研究方面，也走在了世界的前列。應(yīng)該說中國在量子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)占有一席之地，特別是在量子通信、光量子計算等方向上處于國際先進(jìn)水平。

記者注意到，不久前發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，明確提出要瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)等前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目。量子信息的重要性可見一斑。今年教育部也新增了量子信息科學(xué)專業(yè)，這意味著量子技術(shù)領(lǐng)域在人才培養(yǎng)、科研發(fā)展方面進(jìn)入了新的階段。

“對于我們從事量子計算領(lǐng)域研究的科研人員來說，能夠?qū)?span id="6eoiqucao2" class="keyword">國家需要和個人專業(yè)結(jié)合起來，開展研究工作，非常令人振奮。”

標(biāo)簽：量子計算光量子計算芯片科學(xué)