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范Alan探测器准备进入地球大气层 15年后将毁灭
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光量子总结机诞生 到底什么是光量子总括机?

图为计算机中的玻色-爱因斯坦凝聚模型,类似波的特点清晰可见。

以前,量子计算速度比经典计算机快还只是停留在理论中,而该台原型机将这一理论变成现实迈出了坚实的第一步,把量子计算机真正推向和经典计算机竞争的擂台。这是历史上第一台超越早期经典计算机量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。

我写过不少关于量子计算的文章,实际上主要是两类:一类是基于量子门的计算,另一类是绝热量子计算。其实还有第三种,叫做“量子行走”。所谓量子行走,用自然界的例子来说,就是光合作用过程中电子转移的工作原理。当前,研究者已经能够催动整块的原子云“齐步走”,实现量子行走。

两年前,阿里巴巴和中科院合作成立了亚洲首个量子计算实验室,开展在量子信息科学领域的前瞻性研究,探索超越经典计算机的下一代超快计算技术。双方很快就取得了优异的成绩,将量子计算从学术带到了现实世界。在今年3月的深圳云栖大会上,阿里云公布了全球首个云上量子加密通讯案例,通过建立多个量子安全传输域,为客户提供无条件安全数据传输服务。

量子计算机是指利用量子相干叠加原理,理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。随着可操纵的粒子数的增加,量子计算机的计算能力呈指数增长,可以为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案,具有巨大的发展潜力。一台操纵
50个微观粒子的量子计算机,对一些特定问题的处理能力甚至比超级计算机更强。如果现在经典计算机的速度是自行车,那量子计算机的速度就好比飞机。并行计算让量子计算机一秒钟就可完成超级计算机几年的计算任务,几天内就能解决传统计算机花费数百万年时间才能处理的问题。正是因为其广阔的发展前景,许多欧美发达国家以及大型高科技公司纷纷布局相关研究。

据我所知,在量子行走中对问题进行编码,难度不小。必须设定好各个微波脉冲、分别对应不同行走线路,才能造出计算机。再以光纤为例。在光学量子行走中,如果光子同时进入左右两条线路,那么左边那条线路就会受制于右边那条线路的长度和耦合度。但是,在玻色凝聚中,不同线路之间相距无几,根本不能使微波脉冲对准具体任何一条。换句话说,微波源将不可避免地修改整个玻色凝聚的内部状态。

实验测试表明,该原型机的“玻色取样”不仅比之前国际同行所有类似实验提速至少24000倍,同时,通过和经典算法比较,也比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍。5月2日,该研究成果以长文的形式在线发表于《自然-光子学》。

根据计划,潘建伟研究团队将计划在今年年底实现大约 20 个光量子比特的操纵,
20
个超导量子比特样品的设计、制备和测试,量子计算机的速度将会成指数增长。

来源:arstechnica

据中科院院士潘建伟介绍,研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,构建出光量子计算原型机,该原型机的“玻色取样”速度比业界快了2.4万倍。通过和经典算法比较发现,这台光量子计算原型机比人类首台电子管计算机(ENIAC)和首台晶体管计算机(TRADIC)运行速度提高10至100倍。预计在2017年底,研究团队将实现约20个光量子比特的操纵。

在光学体系上,该研究团队在2016年已实现国际最高水平的十光子纠缠操纵。今年,在这一基础上,又利用我国自主研发的高品质量子点单光子源构建了世界首台在性能上能够超越早期经典计算机的单光子量子计算机。最新实验测试表明,该原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有类似的实验加快至少
24000 倍,比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快
10-100 倍。

光的量子行走尚且需要玻璃纤维以固定的方式、(在交汇点上)以固定的长度相互耦合,而玻色凝聚则更为灵活。脉冲光可以推动玻色凝聚在自由空间行动,而微波脉冲则如同各条线路之间的耦合器。脉冲光的数量,决定了行动线路的长度;而微波脉冲的强度,则决定了各条线路的耦合性。这是重点。

在超导体系,该研究团队自主研发了10比特超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。这一成果打破了美国之前保持的9个量子比特操纵的记录,形成了一个完整的超导计算机的系统,使我国在超导体系量子计算机研究领域也进入世界一流水平行列。

话说回来,现在毕竟有了好的开端。玻色凝聚态下的量子行走,有利于将量子门和绝热计算的优势结合起来。其一,玻色凝聚是在真空洁净环境下,靠的是中性原子,有可能形成高度可靠、长期存在的量子位。在这个意义上,玻色凝聚更像是离子阱量子计算机。其二,它既有望解决更复杂的难题,又不必专门处理大量的量子位,倒更像是绝热量子计算的方法,发展前景可期。

目前,发展这一技术的关键在于如何通过发展高精度、高效率的量子态制备与相互作用控制技术,实现规模化量子比特的相干操纵。国际上学术界对于量子计算技术的研究主要基于光子、超冷原子和超导线路三个体系上。我国科学家日前在光子和超导线路上取得的重大突破,对于量子计算机的研究与应用具有标志性意义。

原标题:做到了这一步,量子计算机的扩展也许指日可待

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玻色凝聚态下,量子行走的路线是可编程的。因为光也好,微波脉冲也好,都不是一成不变,可以随时调整。

此外,在超导体系,该研究团队打破了由美国保持的9个量子比特操纵记录,自主研发了10比特超导量子线路样品,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。

埃尼阿克作为世界上第一台经典算法计算机,开辟了一个属于计算机的时代。而现在,以它为首的经典计算机真正的挑战来了。近日,由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组,在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了两项重大突破性进展,将为量子计算时代的到来奠定坚实的技术基础。

玻色凝聚的内部状态是由微波脉冲设定的。比方说,适当的微波脉冲会令玻色凝聚态处在两种量子态的叠加态。此时如果再用激光脉冲加以轰击,玻色凝聚就必然因叠加态而同时向两个方向移动。

打破世界纪录 实现10个超导量子比特纠缠

只不过,这样的计算机还没造出来。科学家虽已证明了对单个玻色凝聚实现量子行走的可能,但还没有证明他们能够在量子行走中对某个问题进行编码。

世界首台超越早期经典计算机的量子计算机问世

在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质扮演的角色可以互换。所谓玻色凝聚,指处在同一量子态的冷原子的集合。简而言之,该集合的行为就像单个粒子一样整齐划一。这时候如果用脉冲光对其加以轰击,这颗“粒子”将以一定频率震颤,导致漂移。至于漂移的方向,取决于玻色凝聚的内部状态。

原标题:我国量子计算机研究获重大进展:世界首台超越早期经典计算机的量子计算机问世

翻译:李芜

光的量子行走固然好,但每一根光纤须得维持不变:光纤的长度以及不同光纤之间的耦合强度无法及时调整。说到底,这种基于光学量子行走的计算机,缺少可编程的因素。

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