你追我赶的量子世界

我国在光学量子计算领域保持国际领先

未来十年有望演示超越四核笔记本电脑计算能力

正谋划从“部分领先”向“全面领先”跨越

    本报合肥4月7日电（记者李陈续 通讯员曾浩）“量子比特”“量子纠缠”“拓扑量子纠错”……随着量子计算研究不断深入，一个个拗口生僻的专业词语频繁出现在大众传媒上。量子计算离我们有多远？它的未来到底什么样？中国在这个领域处于什么地位？带着许许多多问题，记者走进我国光学量子计算和量子保密通讯研究的“前沿阵地”——中国科大微尺度物质科学国家实验室。

    “这个成果，形象说明了这是一个你追我赶的领域。”与科学家的对话，始于本报4月1日的奥地利科学院量子光学和量子信息研究所领导的国际研究小组成功使两个光量子的纠缠态达到103维的报道。作为光学量子计算领域的前沿学者，中国科大微尺度物质科学国家实验室教授陆朝阳介绍，量子纠缠是量子信息技术中的核心“资源”，多粒子高维纠缠态研究则是竞争最为激烈的领域。陆朝阳评价，奥地利小组实现了由两个光子103维的轨道角动量形成的纠缠态，所蕴含的信息空间达到10609维，在信息维度上，创立了一个新的世界纪录。

    “300个纠缠光子的存储能力将超过宇宙所有粒子的总和。”陆朝阳教授用这样的“换算”说明科学家高度重视量子纠缠研究的原因，也证明了未来量子计算机的发展前途不可限量的观点。陆朝阳介绍，2000年，美国国家标准局在离子阱体系上首先实现四离子的纠缠态。2004年，中国科大微尺度物质科学国家实验室潘建伟小组打破这一纪录，在国际上首次成功实现对五粒子纠缠的操纵。2007年，潘建伟小组又率先突破六光子纠缠。2012年，潘建伟小组再次刷新纪录，在世界上首次实现八光子纠缠。即使到目前，在光子数操纵战略高度，潘建伟小组依然遥遥领先于国际上的其他小组。

    陆朝阳告诉记者，作为中国光学量子计算研究的代表，潘建伟团队是国际上最早开始光量子计算机研究并最卓有成效的几个先驱小组之一。十年来，潘建伟团队实现了量子纠错所需要的最少量子比特数目、可预报光子控制非门操作、量子比特的概率性远程克隆、光量子计算机实现大数分解量子肖尔算法、量子容失编码、量子模拟任意子的分数统计、可容错光子逻辑门、非簇态的单向量子计算、拓扑量子纠错、线性方程组量子算法等“国际首次”。英国《新科学家》杂志在“中国崛起”特刊中评论：“中国科学技术大学——因而也是整个中国——已经牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”。

    “我们计划未来十年左右的时间可以演示超越现在所使用的四核笔记本电脑的计算能力。”陆朝阳告诉记者，在教育部2011计划、中科院卓越中心、自然基金委、科技部的支持下，中国科学家的下一个目标，是实现十光子的纠缠和六光子十八比特的超纠缠，计划实现最高262144维量子态。利用量子点已经产生了国际上最高品质的确定性单光子源，在未来十年左右时间实现20～30个光子的操纵。同时，正在积极布局三个最有应用前景的战略领域：基于超冷原子和分子的量子模拟技术，基于光晶格的量子计算，以及基于超导线路量子比特的固态量子计算机。“我们希望通过不懈的努力，努力实现在量子计算领域达到从‘部分领先’到‘全面领先’的跨越！”陆朝阳表示道。

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    人类历史上第一台真正意义上的电子计算机诞生于1946年，从20世纪70年代开始大规模使用。作为20世纪最先进的科学技术发明之一，它对人类的生产和社会活动产生了极其重要的影响，并以强大的生命力飞速发展。

    普通计算机的最基本的数据单元是比特，通过比特处于0或者1表示的开关状态，实现运算。经过从电子管、晶体管到大规模集成电路的发展，现在计算机已经拥有了异常强大的计算能力。但即便如此，仍然有药物设计、大数据分析、新材料研究、气象预报等许多计算任务无法快速完成。因此，克服这些挑战驱使我们去研制全新工作原理的计算机器。

    微观世界的量子力学原理为人类提供了一个可能的全新计算模式——量子计算机。量子计算机中的对应的单元是量子比特，在一个时间里，量子比特可以同时处于0和1的叠加态。这就提供了非常巨大的存储空间和逻辑并行能力，使超越经典计算机成为可能。

    随着量子计算研究的不断深入，量子计算机的前景不可限量。当量子计算机应用之时，现在的密码破译、天气预报、科学研究等等难题，便可以迎刃而解。

    （李陈续整理）