15张图告诉你首台光量子计算机有多牛

5月3日，中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘剑伟在上海宣布，中国科研团队成功建造了一台光学量子计算机，首次展示了超越早期经典计算机的量子计算能力。

潘剑伟认为，这次实验最重要的是实现两个突破。首先，它是世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机，由中国科研团队完成。其次，它也是世界上纠缠度最大的超导量子位处理器(10)。

这两项突破背后的意义是什么？量子计算机与传统计算机有什么不同？在量子计算领域，中国与其他国家相比如何？在当天的新闻发布会上，潘剑伟教授以15分的高分解释道。澎湃新闻(www.thepaper.cn)被授权转发。

在我们理解量子计算机之前，我们首先需要知道什么是量子纠缠和量子叠加原理。根据经典计算机的设计原理，科学家使用二进制数0和1来表示传统芯片晶体管中的信息。然而，在量子力学的世界中，根据量子的物理性质，它可以呈现叠加态，并且可以同时表示0和1。处于叠加态的量子比特可以通过一种称为量子纠缠的现象相互联系。简而言之，一个量子位的行为可以瞬间影响另一个量子位。

根据量子位的特殊性，著名物理学家理查德.费曼首先提出了量子计算机。根据他当时的假设，如果用由剂量子系统组成的计算机来模拟量子现象，操作时间可以大大缩短。量子计算机的概念从此诞生。

费曼对量子计算机概念的阐述也有一个经典的应用场景描述:你需要在5分钟内在国会图书馆的一本书的页面上找到一个大写字母“x”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万本书。但是如果你在5000万个平行现实中，每个现实可以看不同的书，那么你肯定可以在其中一本书里找到这个“x”。在这个假设中，普通的计算机就像是先前情形中的疯子。你需要在5分钟内搜索尽可能多的书。然而，量子计算机可以复制5000万个你，每个人只需搜索一本书。

正因为量子计算机具有如此“神奇”的效果，除了中国在这一领域的研究投入之外，美国和欧洲的*部门、大型科技公司和领先实验室都对量子计算表现出极大的兴趣。

谷歌、IBM和微软都发布了他们自己的量子计算机研究计划。毫无疑问，谷歌仍然是量子计算的领导者。早些时候，谷歌宣布今年将推出一款49位量子计算机。

潘剑伟团队的这项实验将中国超导系统量子计算机的研究推向了世界一流水平。首先，这个光学量子计算机原型的取样速度至少比国际同类实验快24000倍。与经典算法相比，这也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快10到100倍。

此外，研究小组独立开发了一个10位超导量子电路样品。通过发展全球纠缠操作，世界上最大数量超导量子比特的纠缠和完全测量已经成功实现。此外，研究团队演示了使用超导量子电路求解线性方程的量子算法，证明了通过量子计算的并行性来加速线性方程求解的可行性。

这个10位超导电路也让团队打破了此前由谷歌、美国宇航局和加州大学圣巴巴拉分校创造的9个超导量子位的记录。

2016年，潘剑伟团队首次成功实现了“十光子纠缠”。多粒子纠缠操纵作为量子信息处理的核心指标，近年来一直是国际学术竞争的焦点。操纵的纠缠光子越多，量子信息处理能力将成倍增加，但同时实验实现的难度也将急剧增加。

经过努力，潘建伟教授和他的同事陆朝扬、朱晓波，以及浙江大学王浩华教授的研究团队，将比特数扩大到10，并制备了保真度大于66%的10比特纠缠GHZ态。据介绍，这是目前公布的超导量子比特系统中最大数量的纠缠结果。

从最初的3位、5位、6位到现在的10位，潘建伟说，这次测试的成功标志着中国在超导量子位集成系统的设计、准备、控制和测量方面奠定了坚实的基础。根据计划，潘剑伟的研究团队将在今年年底前实现对大约20个光学量子位的操控，以及20个超导量子位样品的设计、制备和测试。量子计算机的速度将呈指数级增长。