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５月３日，世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機在上海亮相，十個超導(dǎo)量子比特糾纏首次成功實現(xiàn)，中國科學(xué)家再次站在了創(chuàng)新的前沿。

一個世紀前，那場關(guān)于“上帝到底擲不擲骰子”的愛因斯坦—玻爾論戰(zhàn)，為人類開啟了量子世界之門；進入２１世紀，量子通信、量子計算等核心技術(shù)飛速發(fā)展，一場新的量子革命正在到來。

未來將秒殺超級計算機

芯片越來越小，傳統(tǒng)計算機未來必將遭遇計算極限。求解一個億億億變量（１０的２４次方）的方程組，利用目前的超級計算機，大約需要１００年。對類似這樣的大規(guī)模計算難題，如果借助萬億次量子計算機，只需０．０１秒。

全新的量子計算機利用量子特有的“疊加狀態(tài)”，以采取并行計算的方式，讓速度以指數(shù)量級地提升。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長、中國科學(xué)院院士潘建偉和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽等研制的光量子計算機，已經(jīng)比人類歷史上第一臺電子管計算機和第一臺晶體管計算機運行速度快１０－１００倍。

據(jù)介紹，關(guān)于量子計算研究的系列成果已經(jīng)發(fā)表于《自然?光子學(xué)》等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上。“這意味著，中國科學(xué)家研制出了量子計算領(lǐng)域的埃尼亞克（第一臺電子管計算機ＥＮＩＡＣ）。”《自然?光子學(xué)》的審稿人表示。

潘建偉說，在量子計算基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，就計算能力而言，科學(xué)界有三個達成共識的指標性節(jié)點：第一步超越首臺經(jīng)典計算機，第二步超越商用ＣＰＵ，第三步超越超級計算機。“目前我們實現(xiàn)的只是其中的第一步，但這一小步卻是重要的一步。”

陸朝陽表示，預(yù)計今年年底可以實現(xiàn)操縱２０個量子比特，達到目前商用ＣＰＵ水平；到２０２０年，有望實現(xiàn)操縱４５個量子比特的目標，向經(jīng)典超級計算機的計算能力發(fā)起挑戰(zhàn)。

歐美投入數(shù)十億美元布局

由于量子計算的巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展協(xié)同攻關(guān)，大型高科技公司如谷歌、微軟、ＩＢＭ等也強勢介入量子計算研究。

來自中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院的信息顯示，國際學(xué)術(shù)界關(guān)于量子計算技術(shù)的發(fā)展，集中于光子、超冷原子和超導(dǎo)線路這三個研究體系。其中，在光子體系，潘建偉團隊在國際上率先實現(xiàn)了五光子、六光子、八光子和十光子糾纏，一直保持國際領(lǐng)先水平，其“多光子糾纏及干涉度量”項目獲得２０１５年度國家自然科學(xué)獎一等獎。

“最快帶來實際價值的體系是超冷原子量子模擬，將來很可能集成化的是超導(dǎo)量子計算，谷歌、ＩＢＭ都在投入大量資源，積極布局。”潘建偉說。

２０１５年，谷歌、美國航天航空局和加州大學(xué)圣芭芭拉分校宣布實現(xiàn)了９個超導(dǎo)量子比特的高精度操縱。此次，潘建偉及其同事朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組，首次實現(xiàn)１０個超導(dǎo)量子比特的糾纏，在基于超導(dǎo)體系的量子計算機研究方面取得突破性進展。

不過，由于高精度量子操控技術(shù)的極端復(fù)雜性，目前對其的研究仍處在早期發(fā)展階段。“量子計算機就像初生的嬰兒，未來最終會長成什么樣子，對整個科學(xué)界還是個未知數(shù)。”潘建偉說。

１０年內(nèi)有望“實用化” 

保衛(wèi)信息安全

“１０年內(nèi)，超導(dǎo)量子操縱有可能做到１００個粒子。到那時，它對某些特定問題的計算能力就可以達到目前全世界所有計算能力之和的１００萬倍，計算能力將會突飛猛進。”潘建偉說，此外，量子計算機能耗更低。

專家認為，計算能力極限的大幅提升，意味著量子計算機可以分析更多數(shù)據(jù)。比如，實現(xiàn)精準的天氣預(yù)報，躲避颶風(fēng)海嘯；計算優(yōu)化的出行線路，讓城市減少堵車等。

潘建偉預(yù)測，造出“專用”量子計算機，在求解材料設(shè)計、化學(xué)研究、物理研究等特別需要、特別有用的問題上超越“超級計算機”，有望在１０年內(nèi)出現(xiàn)，最終還將拓展到量子人工智能領(lǐng)域。

當前，信息科技日益走向智能化，量子不僅可以用于量子計算，更安全的量子通信也應(yīng)運而生。隨著“墨子號”發(fā)射升空，我國在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。按照規(guī)劃，未來還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星。到２０３０年左右，建成一個全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

潘建偉說，量子通信可以從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等的安全性，從根本上解決信息安全問題。目前，量子保密通信已逐步進入產(chǎn)業(yè)化階段，成為未來保障信息安全的“護衛(wèi)艦”。

據(jù)了解，對于量子時代的科學(xué)應(yīng)用，中國“量子人”團隊有著明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)；通過量子計算研究，為大規(guī)模計算難題提供解決方案，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等。

摘自《中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報》