量子计算机领域又获重要进展

来源:光明网 | 发表时间:2016-08-19 09:22

进入八月以来,我国发射世界首颗量子通信卫星“墨子”成为全球关注的热点。无论中国人还是全世界的科学家,都在期待着初步构建“天地一体化”量子通信网络的美好而又神奇的未来。

就在此时,聚焦于“墨子”的人们少有注意到,最新一期的物理领域重要期刊《自然•光子学》在线发表的一个重要成果:中科院量子信息重点实验室李传锋教授研究组研制出一种全新的量子计算机——非局域性量子模拟器。而非局域性就是爱因斯坦所说的量子纠缠具有“幽灵般的超距作用”特质。利用这一特性,研究组通过特定的量子模拟,能使信息以超过1.9倍的光速从一个实验室传输到另一个实验室。这种特定的量子模拟器的一个根本任务,就是来研究运用经典计算机无法求解的一些量子物理基本问题。

这是专用量子计算机领域取得的又一个重要进展。对一般人而言,这项成果的专业性让人如读天书,而专家们却清楚地知道,量子计算机已经是科研领域的热点和发达国家的战略重点。那么,量子计算为什么会获得这样的重视?

答案,必须要从经典计算机说起。飞速发展的经典计算机已经影响到我们生活和科研的方方面面:戴上一副眼镜,就可以让自己从现实世界进入栩栩如生的幻想世界;敲击几下键盘,医生就可以引导着一串串质子精准地杀死癌细胞;分析镜片振动,能“看到”十几亿年前的黑洞合并。

然后,正如大家熟知,经典计算机发展所遵循的摩尔定律——“集成电路上可容纳的电晶体数目,约每隔24个月便会增加一倍”——其基础是不断提高的单子芯片的集成度,这个技术受到两个主要物理限制:芯片的发热,巨大的能耗甚至会导致芯片烧穿;终极运算单元是单电子晶体管,器件尺寸小于10纳米时,会出现电子的隧穿效应,对运算单元的操控会出现致命影响。摩尔效应的失效已经进入倒计时,这就意味着现代电子计算机计算能力上升空间已越来越小。怎么办?

量子计算机这一解决方案逐渐进入大众视野。量子计算机用量子比特作为运算单元,具有天然的并行计算能力。同时由于量子操作的可逆性,可以大大降低能耗。一个经典比特只存在0或1两种状态,而一个量子比特不仅可以处于0,1两种状态,还可以处于0和1的叠加态。因此,N个量子比特的存储能力是N个经典比特的2的N次方倍,随N指数增长。250个量子比特的存储器就能够同时存储比宇宙中的原子数目还要多的数据。对N个量子比特实行一次操作,其效果相当于对经典存储器进行2N次操作,这就是量子计算机的巨大并行运算能力。

相比经典计算机,量子计算机具有海量的计算能力和无限的未来。这也是美国、欧盟和日本在国家战略中将量子计算放到重中之重的原因。

和传统计算机的核心部件是CPU一样,量子计算机的核心部件是量子芯片。国际主流量子芯片方案有离子阱量子芯片、超导量子芯片和半导体量子芯片等。而半导体量子芯片具有可集成、工业化容易等优势。

2004年以来,世界上许多著名研究机构,如美国哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学,日本东京大学,荷兰理工大学等都投入了很大力量,在半导体量子点作为量子芯片的研究方面取得一系列重大进展。

作为迄今国内唯一以量子计算机的设计为目标的研究组,中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室郭光灿院士带领下的郭国平教授组现在主要的精力就投入到了半导体量子芯片的研究中。虽然起步比国际同行晚几年,这个研究小组已经取得了一系列国际一流水准的研究成果,比如单比特超快普适量子逻辑门、单比特超快普适量子逻辑门、单比特中电子自旋态演化的高效读取、量子受控非逻辑、三比特量子逻辑门、多量子比特的长程耦合等等。

在国家的战略重视和支持下,国内量子计算方面的研究已经形成新的热潮。1981年费曼提出量子计算机概念,同年,世界上第一台PC才刚被生产出来。对比经典计算机发展,量子计算机目前还处在“晶体管”向“集成电路”过渡的初级阶段。当下,各国正激烈竞争研制普适量子计算机,以抢占这项新技术的制高点。未来,当量子计算机走出实验室,必将深刻改变人类社会的面貌,帮助人类更好地探索无限可能的未来。

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