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超導量子計算原型機"祖沖之號"研制成功

經過多年努力，中國科學技術大學研究團隊，近日成功構建了包含62個比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，并在該系統上成功進行了二維可編程量子行走的演示。日前國際權威學術期刊《科學》發表了這一研究成果，這也是截至目前國際上超導量子比特數目最多的超導量子計算原型機。

量子計算機是什么“黑科技”？

要解釋“祖沖之號”有多強？首先要回答一個問題：量子計算機是什么？量子計算機是計算機嗎？答案是肯定的，但量子計算機和我們現在所理解的“電腦”差別很大，首先兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關進行計算，我們日常用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會轉換成1和0，再進行傳輸、運算與存儲。而量子計算機則以量子的狀態作為計算形式。

目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子，比如就在去年年底，我國研究團隊成功研制出量子計算原型機“九章”，它就是光量子計算原型機。實驗結果顯示，“九章”處理特定問題的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，同時也等效地比谷歌此前發布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍，成功實現了量子計算領域的第一個里程碑——量子計算優越性。

量子是各種物理量的最小單元

相比超級計算機，量子計算機的計算速度都是以“億”為倍數單位的，由此可見量子計算到底有多么強悍，那么量子計算速度為什么高于傳統計算機那么多呢？要想搞清楚這一點，先得知道什么是量子，它有哪些脾氣和個性。

究竟什么是量子呢？我們知道構成物質的最小單元是基本粒子。而量子，就是質量、體積、能量等各種物理量的最小單元，它也是以某種粒子狀態存在的，不可再分割。就比如光，我們看到的是一整片明亮，但若進入微觀世界，就能發現，這片光是由無數光子組成的。可以想象一下，我們每一舉手一投足，甚至一個呼吸，都有上萬億的量子在移動。

量子具有哪些神奇特性？

量子之小，看不見摸不著，但卻真實存在，因此又被稱作世紀“幽靈”。下面我們就來了解量子具有哪些神奇特性。

中國科協“源新聞”專家庫成員、中科院物理所固態量子實驗室主任 范桁： 那么就是不可分割，有這樣的一個性質。比方說我們一個人，兩個人，這樣的話它就是不能說是半個人，1.5個人。

作為各種物理量的最小單位，量子不能再進行分割，但這并不代表每個量子都是一成不變的，因為它同時具備不確定性。

中國科協“源新聞”專家庫成員、中科院物理所固態量子實驗室主任 范桁： 我舉個例子，比方說這個杯子。比方說我們從正面來看它的時候，那我們看到的在墻上看到的這一個圖像可能是一個矩形。從這個方向看過來的話，我們可能看到的是個圓形。

從不同的方向可以讀取到不同的狀態，同時任何來自外部的探測都會對量子狀態產生干擾，這就是量子的不確定性，也稱作量子的“測不準原理”。除此以外，量子還具有波粒二象性、量子隧穿、量子糾纏、量子疊加等特性。

超導量子計算機的原理是什么？

說了這么多量子的神奇特性，當然是為了知道它能干什么。比如說，量子疊加原理就被科學家運用，開發出了超導量子計算機。所謂量子疊加，指的是一個量子可以同時存在好幾種狀態。更形象點說，就像是《西游記》里孫悟空的分身術。每當遇到敵人數量特別多的時候，孫悟空就會從腦后拔出三根救命毫毛，變成無數自己的分身，一群猴子一起打怪，戰斗力自然幾何級提升。

量子也是如此，科學家用它的分身術，來幫我們的計算機實現并行運算。比如10的90次方，它比宇宙中所有粒子數還多，去分解這樣一個天文級大數，普通計算機需要15萬年，而未來的量子計算機只需要數秒。

可操控量子比特數量最多意味著什么？

目前我國在超導量子計算機研究領域處于世界領先。這次中國科學技術大學潘建偉院士團隊成功研制的超導量子計算原型機“祖沖之號”，是目前國際上超導量子比特數量最多的，操縱的超導量子比特達到62個。

那么量子比特數量最多意味著什么？可編程的二維量子行走又是什么概念？中國科學院科學傳播研究中心副主任袁嵐峰作出解答。

中國科學院科學傳播研究中心副主任 袁嵐峰： 這個量子隨機行走很神奇的，用這樣一個模型，它可以實現通用量子計算，就是說量子計算能夠實現的任何功能，就或者說是任何的計算任務都可以通過這樣一種方式來實現。

中國科學院科學傳播研究中心副主任 袁嵐峰： 因為你要去做的肯定是那種計算機算得非常慢，比如交通規劃，就是我們現在車隊經常堵車。但這個算法實在太慢了，所以你在使用當中沒法用。每多一個路口，然后你考慮的這個數目，就得是乘上一個倍數。還有一類是制藥，我們現在開發一個新藥非常困難，因為可選擇的那個候選的藥物分子實在是太多了。然后就現有的辦法去篩選藥物就變成非常非常慢，就是人工那篩選。假如我們能夠通過計算機模擬，能夠讓量子計算機去在所有可能的這些候選分子當中，快速篩選出那些最有希望的，這樣的話就能夠大大加快我們制藥的過程了。