量子計(jì)算機(jī)未來(lái)可解決大規(guī)模計(jì)算的科學(xué)難題

借助量子計(jì)算的并行性帶來(lái)指數(shù)級(jí)的加速，將能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度。當(dāng)量子計(jì)算時(shí)代到來(lái)時(shí)，利用GHz時(shí)鐘頻率的量子計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的線性方程組，將只需要10秒鐘。

5光量子比特糾纏、6光量子比特糾纏、8光量子比特糾纏、10光量子比特糾纏，18光量子比特糾纏……

在位于中國(guó)科技大學(xué)東區(qū)理化大樓中編號(hào)為“01003”的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，密布著錯(cuò)綜復(fù)雜的管線及各類光學(xué)和電子設(shè)備，中科大教授潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)在這里不斷攻關(guān)，刷新著光量子比特糾纏數(shù)目的世界紀(jì)錄。日前，潘建偉及其同事陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)、汪喜林等在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)18個(gè)光量子比特的糾纏，再次刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。

什么是量子比特？什么又是量子糾纏？逐次刷新世界紀(jì)錄的意義何在？

量子糾纏，是量子疊加在多粒子條件下的特殊形態(tài)

“量子是能量的最小單元，人們所熟知的分子、原子、電子等微觀粒子狀態(tài)的改變，都涉及能量變化，這一過(guò)程改變的能量就是一份一份的量子。比如日常生活中的光，就是大量光量子組成的?！敝锌拼笱芯繂T汪喜林說(shuō)。

什么是量子比特？任何信息在編碼、操作、處理等時(shí)，都有一個(gè)最基本的處理單元，叫做比特。比特是由英文BIT音譯而來(lái)，是信息量的度量單位，也是信息量的最小單位。潘建偉團(tuán)隊(duì)研究人員介紹，人們常用的手機(jī)、電腦等電子計(jì)算機(jī)所用到的比特，被稱為經(jīng)典比特。量子比特就是進(jìn)行量子信息處理的最基本單元。

那么，量子比特糾纏又是怎么一回事？

“在宏觀的經(jīng)典世界里，0就是0，1就是1。而在微觀的量子世界中，一個(gè)狀態(tài)可存在于1和0的疊加，它既不是0、也不是1，但它既是0、又是1?！蓖粝擦忠灾摹把Χㄖ@的貓”進(jìn)行描述，“在經(jīng)典世界里，貓要么是活的，要么是死的，但在量子世界里的貓則可能處于‘又死又活’的疊加狀態(tài)?！币粋€(gè)經(jīng)典比特只存在0或1兩種狀態(tài)。而一個(gè)量子比特，不僅可處于0或1兩種狀態(tài)，還可處于“0+1”的疊加態(tài)。

而量子糾纏，則是量子疊加在多粒子條件下的特殊表現(xiàn)形態(tài)。汪喜林隨手拿起兩張紙進(jìn)行解釋。在經(jīng)典比特的場(chǎng)景下，一張紙朝上朝下，與另一張紙沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)。但當(dāng)有兩個(gè)量子比特時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)量子糾纏現(xiàn)象。

“當(dāng)兩個(gè)量子比特建立糾纏之后，哪怕把它們分得很遠(yuǎn)，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一張紙朝上時(shí)，另一張也是朝上；當(dāng)一張紙朝下時(shí)，另一張也朝下；當(dāng)三個(gè)量子比特建立糾纏時(shí)，發(fā)現(xiàn)一張紙朝上時(shí)，另外兩張也朝上；一張紙朝下時(shí)，另外兩張紙也朝下；以此類推，18個(gè)量子比特糾纏，就是18個(gè)同時(shí)朝上，或18個(gè)同時(shí)朝下，且處于18個(gè)0+18個(gè)1的疊加狀態(tài)。”汪喜林說(shuō)。

量子計(jì)算需多個(gè)光量子比特糾纏，數(shù)量越多越好

“經(jīng)典計(jì)算機(jī)處理的經(jīng)典比特，一次只能處理某一個(gè)數(shù)據(jù)，而將來(lái)量子計(jì)算機(jī)在處理量子比特時(shí)，可以處于多個(gè)數(shù)據(jù)的相干疊加狀態(tài)，具有強(qiáng)大的并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)?！蓖粝擦诌@樣形容，“操縱N個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，原理上可以對(duì)2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)重復(fù)實(shí)施2的N次方次操作?！?/p>

對(duì)數(shù)據(jù)的處理可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的并行，運(yùn)算速度會(huì)大大提高，同時(shí)，量子計(jì)算的速度會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)可操縱的糾纏比特?cái)?shù)的增加而呈指數(shù)級(jí)提升。多個(gè)量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備是發(fā)展可擴(kuò)展量子信息技術(shù)，特別是量子計(jì)算的最核心指標(biāo)，量子計(jì)算需用到多個(gè)光量子比特糾纏，數(shù)量越多越好。

然而，下一步要實(shí)現(xiàn)更多個(gè)量子比特的糾纏，需進(jìn)行高精度、高效率的量子態(tài)制備和獨(dú)立量子比特間相互作用的精確調(diào)控。但隨著量子比特?cái)?shù)的增加，操縱帶來(lái)的噪聲、串?dāng)_和錯(cuò)誤也隨之增加。這對(duì)量子體系的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控要求極高，對(duì)量子糾纏和量子計(jì)算的發(fā)展構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

怎么緩解上述問(wèn)題，達(dá)到提升量子比特糾纏數(shù)的目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)近期把重點(diǎn)放在了光子的多個(gè)自由度的調(diào)控方法上?！氨热?，1個(gè)光子過(guò)去往往用于編碼1個(gè)量子比特，10個(gè)光量子比特的糾纏就需要10個(gè)光子。如讓光量子比特糾纏數(shù)目提升，就要把光子數(shù)再往上提升，但這難度太大了。我們現(xiàn)在就在想，能不能用每個(gè)光子編碼多個(gè)光量子比特。”汪喜林解釋，現(xiàn)在通過(guò)操縱一個(gè)光子的偏振、路徑和軌道角動(dòng)量等多種自由度，讓一個(gè)光子編碼3個(gè)光量子比特，這樣6個(gè)光子就能編碼18個(gè)光量子比特，實(shí)現(xiàn)18個(gè)光量子比特的糾纏，同時(shí)有效緩解了因光子數(shù)增加而可能帶來(lái)的種種問(wèn)題。

未來(lái)量子計(jì)算機(jī)可應(yīng)用于需要大規(guī)模計(jì)算的科學(xué)難題

“量子比特糾纏的數(shù)目越大，可實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算的能力就越強(qiáng)?！眻F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹，他們希望通過(guò)未來(lái)3年到5年努力，在量子計(jì)算方面能實(shí)現(xiàn)約50個(gè)糾纏量子比特的相干操縱，使其計(jì)算能力在某些特定問(wèn)題的求解上，媲美或超越目前最好的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。

而根據(jù)理論預(yù)計(jì)，量子計(jì)算的前景遠(yuǎn)不止于此。汪喜林說(shuō)，借助量子計(jì)算的并行性帶來(lái)指數(shù)級(jí)的加速，將能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度。當(dāng)量子計(jì)算時(shí)代到來(lái)時(shí)，利用GHz時(shí)鐘頻率的量子計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的線性方程組，將只需要10秒鐘。而現(xiàn)在，即便是用世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也至少需要幾百年。

“如能糾纏操縱100個(gè)粒子，在對(duì)某些特定問(wèn)題的求解方面，量子計(jì)算的計(jì)算能力可達(dá)目前全世界計(jì)算能力總和的100萬(wàn)倍。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用之時(shí)，現(xiàn)在的氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等需要大規(guī)模計(jì)算的科學(xué)難題，將有望迎刃而解?！蓖粝擦峙e例，比如現(xiàn)在的氣象預(yù)報(bào)，想要預(yù)報(bào)1個(gè)月后的天氣可能需要100天的計(jì)算時(shí)間，但計(jì)算上100天之后也就沒(méi)了預(yù)報(bào)的意義，但將來(lái)應(yīng)用了量子計(jì)算之后，1個(gè)月后的預(yù)報(bào)可能幾秒鐘的計(jì)算時(shí)間就可以完成。