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眨眼间可完成上百年才能处理的问题!量子计算技术挑战传统计算机极限
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深圳特区报记者 闻坤
05-16 08:07

眨眼间可完成上百年才能处理的问题!量子计算技术挑战传统计算机极限

收录于专题:特区报·科创
深圳特区报

深圳市委机关报,改革开放的窗口

秒级破解加密系统、精确预测候选药物、显著提高天气预报的准确性和精度、模拟和分析复杂的分子结构加速新材料的发现、瞬间完成传统计算机上百年才能处理的问题……

随着科技的不断进步,量子计算这一曾经属于科幻领域的前沿技术,如今已经逐渐走进我们的视野。它以其独特的量子叠加和纠缠性质,预示着一场关于计算能力的革命。量子计算技术挑战了传统计算机的极限,为解决复杂问题提供了全新的可能性。为揭开量子计算的神秘面纱,记者采访了权威专家,探索其基本原理、发展现状以及它对未来世界可能产生的深远影响。

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量子计算带来颠覆性算力

中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长、南方科技大学物理系讲席教授俞大鹏表示,量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。它利用量子比特(qubit)作为基本运算单元,通过量子叠加和纠缠的性质,能同时处理多个状态,从而突破经典计算的限制,显著提高计算速度并具备更强大的计算能力。

量子计算是基于量子力学原理,尤其是量子叠加和纠缠现象所研发的模拟和计算技术。在量子计算中,数据以量子比特的形式存储和运算,而量子比特可以同时处于多个状态的叠加态,这是经典计算中的比特所无法做到的。这种叠加态使得量子计算机能够在同一时间内处理更多的信息,从而实现更高效的计算。

俞大鹏用“走迷宫”为例来解释量子计算机的能力。他说,受限于经典的计算方法,100个经典比特的传统计算机每次只能选择100条路去尝试,或者以100倍的速度尝试一条路,如果失败了,就只能从头开始走;但如果是100个量子比特的量子计算机走迷宫,相当于有2的100次方个人一起尝试不同的路,瞬间就把所有可能都尝试一遍,找到那条正确的路。

量子计算的由来可以追溯到上世纪80年代初,由美国阿贡国家实验室的P. Benioff首次提出,他提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算。随后,费曼和牛津大学的D. Deutsch等人也对量子计算的概念进行了深入研究和拓展,提出了量子图灵机的概念,使得量子计算具备了数学的基本型式。

在量子计算的发展过程中,理论突破和实验验证都起到了关键的作用。20世纪90年代,计算机科学家彼得·史蒂文斯提出了量子计算机的通用设计原则,并发展了量子算法的理论框架。同时,一系列重要的量子算法,如Shor算法和Grover算法,也被提出并显示出量子计算的巨大潜力。在实验方面,研究者们进行一系列成功的实验验证,逐步推动了量子计算技术的发展。

近年来,随着技术的不断进步,量子计算领域取得了重大突破,出现了更稳定和可扩展的量子纠缠和量子门操作技术,为实现大规模量子计算奠定了基础。同时,量子计算也逐渐进入商业化阶段,有望在密码破译、材料设计以及人工智能等领域得到广泛应用。

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突破传统计算机限制

量子计算机长什么样?美国IBM公司曾展示其研制的量子计算机的内部结构:数层金色圆盘从上而下叠成倒圆锥结构,夹杂繁复的银色管道,犹如一只蒸汽朋克风的吊灯。这只庞大的“吊灯”是量子计算机的核心硬件,还要加上配套的供能、冷却和控制设备。

量子计算机是一种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,它就被称为量子计算机。量子计算机具有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等特点。

俞大鹏介绍,量子计算机主要由四个基本组成部分构成:量子比特、量子门、量子寄存器和量子算法。其中,量子比特是量子计算机的最基本单位,类似于经典计算机中的二进制位,但不同的是,量子比特可以处于叠加态,即同时是0和1的状态,这赋予了量子计算机更高的信息储存和处理能力。量子门用于对量子比特进行操作,可以同时影响多个量子比特,实现量子位的运算。量子寄存器用于存放多个量子比特的组合单元,可以同时存放多个量子比特的叠加态。量子算法则是在量子计算机上运行的算法。

“量子计算机与普通计算机之间存在明显的区别。”俞大鹏说,首先,它们的计算原理不同。量子计算机利用量子比特的叠加态和纠缠态特性,使其具有比经典计算机更强大的计算能力。

其次,计算速度上,量子计算机在某些问题上具有更快的计算速度,例如现在人类使用的最高端的密码系统,比如银行、保险、政府机构等,都是用极大质数来加密——利用传统计算机求解极大质数的因数非常困难,需要几十、甚至上百年时间,但是用量子计算机,破解这样的密码只需一眨眼的工夫。此外,由于量子计算机的计算原理和速度特点,它更适合解决某些经典计算机无法或难以解决的问题,如化学、物理、材料科学、密码学、优化等领域的计算问题。

俞大鹏特别提到量子纠错,它是量子计算中的关键技术之一。由于量子态的脆弱性,环境噪声和其他错误源可能干扰量子信息的准确性,因此需要进行量子纠错以保护量子信息。量子纠错的基本思想是利用多个量子比特之间的纠缠关系,通过测量和编码来检测和纠正错误。量子纠错码是实现量子纠错的关键工具,旨在确保在测量和纠正错误时不会破坏编码比特中的纠缠关系,并最大限度地减少错误纠正所需的时间和资源。

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量子计算拥有广泛应用前景

“量子计算机的应用领域广泛,包括但不限于密码学与安全、材料科学与设计、优化问题、人工智能与机器学习、量子化学等。”俞大鹏说。

在密码学领域,量子计算机可以破解当前常用的加密算法,但同时也能够创造出更为安全的量子密码体系,确保通信和数据的机密性。比如,量子密钥分发和量子隐形传态等技术的出现,极大地增强了信息的保密性。

在材料科学领域,量子计算机可以模拟和优化分子和材料的特性,有助于加速新材料的开发和设计。例如,通过模拟材料的电子结构,可以推动能源存储、电池技术、催化剂等领域的创新。

在优化问题方面,量子计算机可以解决一些经典计算机无法高效解决的最优化问题,如旅行商问题、机器学习中的优化问题等。这种能力使得量子计算机在物流、交通、金融等领域具有广泛的应用前景。

此外,量子计算机还在图像处理和模式识别等领域展现出潜在的应用价值。例如,量子计算机的高并行计算能力可以加速图像处理算法的执行速度,提高图像处理的效率。同时,它也可以用于人脸识别、声纹识别等模式识别任务。

“随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展,量子计算有望为我们的科学、技术、经济、社会带来深刻的变革和巨大的价值。”俞大鹏认为,在科学方面,量子计算机可以快速地解决传统计算机无法处理的问题,包括复杂的化学反应、物料结构分析、生物学研究和天气预报等领域,这将推动科学研究的进程,加速科学发展。

在技术方面,随着量子计算机技术的不断进步,它将为计算机领域带来新的技术革命,推动人工智能、自动驾驶、机器人等新兴技术的发展和应用。

在经济方面,量子计算可能催生新的商业模式和产业生态,如量子云计算服务、量子加密通信等,从而带动经济增长和就业创造。

在社会方面,量子计算的发展将对人们的生活方式和社会结构产生深远影响。例如,量子加密通信将提升网络安全和个人隐私保护水平;量子模拟和计算将有助于解决环境问题和资源优化等全球性挑战。

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中国处于国际第一梯队

国内外在量子计算机的研发方面均取得了显著的进展。全球范围内,多个国家和组织都在积极布局量子计算领域。例如,美国通过《国家量子计划法案》将量子计算提升到国家战略高度,欧盟也启动了“量子旗舰”计划以推动量子技术的发展。此外,加拿大、英国、日本、德国、印度、澳大利亚、丹麦和韩国等国家也都在加速布局量子计算,发布了本国的量子战略,大多囊括政府支持、软硬件研发、产业生态构建等领域。

中国和美国在量子计算发展上均处于全球领先位置,但各自的优势和差距也存在。

“中国优势在于政府对量子计算的重视和投入。”俞大鹏说,中国在量子信息领域的公共投资处于全球领先地位,例如投资超千亿人民币建设了世界上最大的量子研究设施——量子信息科学国家实验室。同时,中国在量子通信领域的研究产出颇高,处于世界领先地位。此外,中国在超导Transmon qubit领域的最新研究成果也比肩美国。同时,中国在量子计算的硬件研发方面例如,“九章”和“祖冲之二号”等量子计算原型机的成功研制,展现了我国在量子计算领域的强大实力。

与中国截然不同的是,美国的优势在于私营企业的主导地位。美国的量子技术部署主要由私营企业主导,这些企业拥有大量的研发资金和人才资源,推动了量子计算的快速发展。

美国在量子计算硬件和软件方面有深厚的积累。例如,谷歌、IBM、微软等公司都在开发自己的量子计算硬件,并不断取得突破。同时,这些公司还在各自的云平台上推出了量子计算服务。

在硬件方面,量子计算机的研发涉及到量子比特的实现和控制、量子门的构建以及量子寄存器的设计等多个方面。目前,超导量子计算、离子阱量子计算、量子点量子计算等是主流的量子计算实现方式。国内外的研究团队都在努力提高量子比特的稳定性和可扩展性,以及降低量子门操作的错误率。

在软件方面,量子算法和量子软件的开发也是量子计算机研发的重要组成部分。例如,谷歌已经通过实验证明可以通过增加量子比特的数量来降低计算错误率,这为其量子计算路线图的第二个关键里程碑提供了重要支撑。

俞大鹏表示,尽管量子计算领域取得了许多进展,但量子计算机目前仍处于发展的初级阶段。尽管已经有一些商用化的量子计算原型机问世,但它们大多仍处于NISQ(含噪声中等规模量子计算)阶段,即虽然具有一定的量子优越性,但尚未达到通用量子计算的程度。因此,未来还需要在量子比特的稳定性、可扩展性、量子门操作的精确性等方面进行深入研究,以实现真正的通用量子计算机。

量子计算QC

深圳有望在量子计算领域取得更多突破

深圳发展量子计算及量子计算机的情况如何?俞大鹏认为,深圳在量子计算及量子计算机的发展上,表现出了非常积极的态势,并在多个方面取得了显著的进展。

首先,深圳在政策支持方面给予了量子计算及量子计算机发展极大的重视。政府出台了一系列相关政策,旨在推动量子科技产业的迭代发展。这些政策不仅为深圳的量子计算研究提供了资金支持,还为相关企业和研究机构提供了良好的发展环境。

其次,深圳在量子计算科研和产业化方面也取得了显著的进展。深圳国际量子研究院、南方科技大学等科研机构在量子计算领域取得了重要的研究成果,包括量子纠错、量子通信等方面的突破。这些成果的取得,为深圳在量子计算领域的发展奠定了坚实的基础。

此外,深圳还积极推动量子计算与信息产业的结合。在量子计算的研究过程中,深圳积累了很多尖端技术,这些技术与信息产业的结合,有望推动信息产业的进一步发展。例如,量子计算可以用于解决信息安全、大数据分析等领域的问题,为信息产业提供更高效、更安全的解决方案。

最后,深圳在量子计算人才的培养和引进方面也做出了努力。通过与高校、研究机构的合作,深圳吸引了大量的量子计算人才,为量子计算及量子计算机的发展提供了有力的人才保障。

总的来说,深圳在量子计算及量子计算机的发展上,已经具备了良好的政策环境、科研实力和产业基础。未来,随着量子计算技术的不断进步和应用场景的不断拓展,深圳有望在量子计算领域取得更多的突破和成果。

14000次量子计算实验无错误

近日,微软发布消息称,与量子计算公司Quantinuum的深度合作取得了显著成果。在实验中成功完成了多达14000次无错误的量子计算操作,这一成就不仅刷新了量子计算错误率的纪录,而且将错误率降低了800倍,为量子计算的未来发展开辟了新的可能性。

量子系统的高敏感性使得量子比特状态容易受到环境扰动的影响,导致计算误差。因此提升量子比特的稳定性和降低误差率,是实现可靠量子计算的关键。

此次微软和Quantinuum的合作,通过结合微软的量子比特虚拟化系统和Quantinuum的离子阱硬件技术,实现了创纪录的低错误率逻辑量子比特操作。双方在实验中成功完成了多达14000次的量子计算操作而未出现任何错误,这一成就是物理错误率与逻辑错误率间差距的显著展现。

深圳团队科研成果入选年度中国科学十大进展

今年年初,国家自然科学基金委员会发布了2023年度中国科学十大进展,由俞大鹏院士团队联合其他单位完成的“玻色编码纠错延长量子比特寿命”入选。

目前,超导量子比特的错误率离实用化还相差十多个数量级,需要进行量子纠错以构建错误率更低的逻辑量子线路。然而,传统的量子纠错过程通常会不可避免地引入新的错误,使得量子纠错面临“越纠越错”的尴尬局面。如何使编码保护的逻辑量子比特的寿命超过体系中最佳物理量子比特,超越盈亏平衡点,是衡量量子纠错是否有效的关键判据。

在中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长、南方科技大学物理系讲席教授俞大鹏的带领下,超导实验室的徐源研究员研究小组联合福州大学郑仕标教授、清华大学孙麓岩教授等团队攻坚克难,在基于超导量子线路系统的量子纠错领域一举取得了突破性重大实验进展——团队通过对微波腔中的离散变量光子量子比特进行实时反馈校正,证明了超过QEC(量子误差矫正)的盈亏平衡点,并在国际知名学术期刊《自然》上发表。

该研究在国际上首次通过主动的重复错误探测和纠错过程实现延长量子信息的存储时间超越盈亏平衡点16%,展示了量子纠错的优越性,表明了硬件高效的离散变量编码在容错量子计算中的潜力,具有里程碑式的重要意义。

我国科学家在量子计算领域取得重大突破


国际上首次实现光子的分数量子反常霍尔态


近日,我国科学家在量子计算领域取得重大突破:利用“自底而上”的量子模拟方法,在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。相关成果以长文的形式于北京时间5月3日发表在国际学术期刊《科学》上。

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等利用基于自主研发的Plasmonium(等离子体跃迁型)超导高非简谐性光学谐振器阵列,实现了光子间的非线性相互作用,并进一步在此系统中构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场,在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。

《科学》杂志审稿人评价认为,这项工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”,“有潜力为实现非阿贝尔拓扑态开辟一条新的途径”。

编辑 王雯 审读 吴剑林 二审 桂桐 三审 张雪松

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