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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

我們瞄準特定應用研制了一款新型的可編程光量子計算芯片，能夠進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，未來可能應用在數(shù)據(jù)庫搜索、模式識別等領域。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。

強曉剛軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院研究員

量子計算是世界科技前沿的一個重點研究方向，5月7日，《科學》雜志發(fā)表潘建偉院士團隊的研究成果，其成功研制了目前國際上超導量子比特數(shù)量最多的量子計算原型機“祖沖之號”，并在此基礎上實現(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的國際團隊在國際權威期刊上發(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，有望應用在數(shù)據(jù)搜索、模式識別等領域。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)內眾多關注？

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，軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院強曉剛研究員。

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基礎上的新型計算模型，其基本計算單元是量子比特。

強曉剛介紹，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，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)的量子比特進行操控時，就相當于同時對0和1兩個態(tài)進行了操控。

“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蘊含著巨大的計算潛力。”他說。

上個世紀80年代，美國物理學家費曼提出用量子物理系統(tǒng)來構造計算機的想法。上世紀90年代，能用于大數(shù)質因子分解的Shor算法和能夠實現(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，量子計算機的硬件實現(xiàn)方面也在不斷發(fā)展，包括超導、離子阱、光子、量子點、拓撲等多種物理體系的不同技術路線都在進步。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，量子計算技術在國防軍事領域也同樣具有巨大應用潛力。”強曉剛表示，比如，量子計算可以快速地分解大數(shù)質因子，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)劃等應用方面發(fā)揮作用；在物理化學分子模擬方面也具有計算優(yōu)勢，可以幫助設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、離子阱、光子、量子點、拓撲等多種物理體系中，光子系統(tǒng)具有抗外界干擾能力強、操作精度高、可室溫工作等特點，發(fā)展非常快速。

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)模可實用化量子計算機非常有潛力的途徑。

自2008年以來，光量子芯片技術迅速發(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。我們基于硅基集成光學技術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，能夠實現(xiàn)任意的兩比特量子計算應用。這項工作成功地展示了硅基集成光學技術在實現(xiàn)大規(guī)模光量子計算芯片方面的潛力。”強曉剛介紹，“在之前的研究基礎上，我們瞄準特定應用研制了一款新型的可編程光量子計算芯片，能夠進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，未來可能應用在數(shù)據(jù)庫搜索、模式識別等領域。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，是量子計算領域的一類重要計算模型。它是基于量子力學基本原理，對應于經(jīng)典的隨機漫步所提出的，是許多量子算法的理論內核。

“舉例來說，在一維直線上從原點出發(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，不斷重復這個過程，就形成了一維直線上的經(jīng)典隨機漫步。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，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)典隨機漫步完全不同的性質。利用量子漫步的這些獨特性質就可能設計出計算速度更快的量子算法。”他說。

強曉剛介紹：“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對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行完全調控，實現(xiàn)不同參數(shù)的量子漫步過程，從而支持運行一系列基于量子漫步模型的量子算法，比如圖頂點搜索、圖同構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，最大的亮點有2個：一是它的可編程性，通過電學調控片上元件來實現(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行；二是它的可擴展性，與通用量子計算相比，所提出的芯片架構相對簡單，基于硅光技術能夠更容易進行擴展，來實現(xiàn)未來可實用化的光量子計算系統(tǒng)。

未來發(fā)展：機遇無限卻任重道遠

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

“當然，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擾、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挑戰(zhàn)。”強曉剛說，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)在量子計算技術方面投入了大量資源，在推動量子計算技術由基礎研究向工程化發(fā)展邁進方面取得了顯著的成效。我國在量子技術領域的布局、研究方面，也走在了世界的前列。應該說中國在量子技術領域已經(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)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，明確提出要瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學等前沿領域，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專業(yè)，這意味著量子技術領域在人才培養(yǎng)、科研發(fā)展方面進入了新的階段。

“對于我們從事量子計算領域研究的科研人員來說，能夠將國家需要和個人專業(yè)結合起來，開展研究工作，非常令人振奮。”

標簽：量子計算光量子計算芯片科學