全方面领先,中国科学家量子计算打破多项纪录
发表时间:2019-12-29 作者:211大学网

中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟等人与德国、荷兰的科学家合作,在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算,在四大关键指标上均大幅刷新国际纪录,逼近实现量子计算研究的重要目标“量子霸权”。

与国际学界之前的研究成果相比,他们此次实验成功操纵的单光子数增加了5倍,模式数增加了5倍,取样速率提高了6万倍,输出态空间维数提高了百亿倍。实验首次将玻色取样推进到一个全新的区域。

国际权威学术期刊《物理评论快报》日前以“编辑推荐”的形式发表了该成果。《物理评论快报》审稿人认为,这项研究突破是“一个巨大的飞跃”,“是通往实现‘量子霸权’的‘弹簧跳板’”。


全方面领先,中国科学家量子计算打破多项纪录

量子计算机是什么?

量子计算是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

众多科学家认为:量子计算是下一次工业革命的引擎,将引爆第四次工业革命!

量子计算机为什么会被世界各国寄予厚望,因为量子计算机基于量子叠加态的原理可以拥有秒杀所有传统计算机的计算能力。

量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中,能同时拥有两个相反的特性,也就是我们说的波粒二象性。尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择,而但在微观世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的。


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而正是基于这样的特性,让量子计算机拥有了超强的计算能力。

传统计算机每比特非0即1,而在量子计算机中,量子比特可以以处于即是0又是1的量子叠加态,这使得量子计算机具备传统计算机无法想象的超级算力。

举个例子,如果x=0,运行A;如果x=1,运行B。

传统计算机永远只会一次执行一种逻辑分支,要么A,要么B,要么两种情况各运行一次。

但在量子计算机中,变量X是量子叠加态,既为1,又为0,因此它可以在一次计算中同时执行A和B。这也被称为量子比特或者叫量子位。成为了量子信息的计量单位。


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做个总结,传统计算机使用0和1,量子计算机也是使用0跟1,但与之不同的是,其0与1可同时计算。古典系统中,一个比特在同一时间,不是0,就是1,但量子比特是0和1的量子叠加。这是量子计算机计算的特性。


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所以如果我们将量子比特的数量增加到10个,那么传统计算机需要计算2^10=1024次。量子计算机需要计算多少次呢?

还是1次。

我们再把量子比特数加到100个、1000个、10000个乃至更多,看出差距了吗?现有计算机要运行上万年的工作量,量子计算机只用几分钟就能搞定。


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这也预示着当经典计算机还在通过增加中央处理器的密度和速度来实现计算能力的代数级增长时,量子计算机却完成了指数级的革命。

玻色取样量子计算有什么意义

什么是玻色取样量子计算呢?其中,量子计算研究的第一个阶段性目标是实现“量子计算优越性”(亦译为“量子霸权”),即研制出量子计算原型机在特定任务的求解方面超越经典的超级计算机。利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样是目前国际学术界公认的演示量子计算优越性的两大途径。

其中这两样中国都是全世界领先,那什么是玻色取样呢?

在量子计算的版图上,光子、电子、离子等微观粒子都被科学家用来尝试实现可能的计算方案。

而线性光学量子计算是量子计算的方案之一。所谓线性光学量子计算,就是以光子作为载体,经过一个线性系统完成操作,输出计算结果。实现大规模比特的通用量子计算机目前看来还具有很苛刻的门槛,于是,科学家希望能够首先让量子计算在特定任务上表现出比经典计算机更卓越的能力,许多科学家将目光瞄准了玻色取样上。


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“玻色取样”是指,在n个全同玻色子经过一个干涉仪后,对n个玻色子的整个输出态空间进行采样的问题。采样过程和分布概率息息相关。