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超導(dǎo)量子計算原型機"祖沖之號"研制成功

經(jīng)過多年努力，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊，近日成功構(gòu)建了包含62個比特的可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”，并在該系統(tǒng)上成功進(jìn)行了二維可編程量子行走的演示。日前國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了這一研究成果，這也是截至目前國際上超導(dǎo)量子比特數(shù)目最多的超導(dǎo)量子計算原型機。

量子計算機是什么“黑科技”？

要解釋“祖沖之號”有多強？首先要回答一個問題：量子計算機是什么？量子計算機是計算機嗎？答案是肯定的，但量子計算機和我們現(xiàn)在所理解的“電腦”差別很大，首先兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關(guān)進(jìn)行計算，我們?nèi)粘Ｓ玫碾娔X，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會轉(zhuǎn)換成1和0，再進(jìn)行傳輸、運算與存儲。而量子計算機則以量子的狀態(tài)作為計算形式。

目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統(tǒng)，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子，比如就在去年年底，我國研究團隊成功研制出量子計算原型機“九章”，它就是光量子計算原型機。實驗結(jié)果顯示，“九章”處理特定問題的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，同時也等效地比谷歌此前發(fā)布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍，成功實現(xiàn)了量子計算領(lǐng)域的第一個里程碑——量子計算優(yōu)越性。

量子是各種物理量的最小單元

相比超級計算機，量子計算機的計算速度都是以“億”為倍數(shù)單位的，由此可見量子計算到底有多么強悍，那么量子計算速度為什么高于傳統(tǒng)計算機那么多呢？要想搞清楚這一點，先得知道什么是量子，它有哪些脾氣和個性。

究竟什么是量子呢？我們知道構(gòu)成物質(zhì)的最小單元是基本粒子。而量子，就是質(zhì)量、體積、能量等各種物理量的最小單元，它也是以某種粒子狀態(tài)存在的，不可再分割。就比如光，我們看到的是一整片明亮，但若進(jìn)入微觀世界，就能發(fā)現(xiàn)，這片光是由無數(shù)光子組成的。可以想象一下，我們每一舉手一投足，甚至一個呼吸，都有上萬億的量子在移動。

量子具有哪些神奇特性？

量子之小，看不見摸不著，但卻真實存在，因此又被稱作世紀(jì)“幽靈”。下面我們就來了解量子具有哪些神奇特性。

中國科協(xié)“源新聞”專家?guī)斐蓡T、中科院物理所固態(tài)量子實驗室主任 范桁： 那么就是不可分割，有這樣的一個性質(zhì)。比方說我們一個人，兩個人，這樣的話它就是不能說是半個人，1.5個人。

作為各種物理量的最小單位，量子不能再進(jìn)行分割，但這并不代表每個量子都是一成不變的，因為它同時具備不確定性。

中國科協(xié)“源新聞”專家?guī)斐蓡T、中科院物理所固態(tài)量子實驗室主任 范桁： 我舉個例子，比方說這個杯子。比方說我們從正面來看它的時候，那我們看到的在墻上看到的這一個圖像可能是一個矩形。從這個方向看過來的話，我們可能看到的是個圓形。

從不同的方向可以讀取到不同的狀態(tài)，同時任何來自外部的探測都會對量子狀態(tài)產(chǎn)生干擾，這就是量子的不確定性，也稱作量子的“測不準(zhǔn)原理”。除此以外，量子還具有波粒二象性、量子隧穿、量子糾纏、量子疊加等特性。

超導(dǎo)量子計算機的原理是什么？

說了這么多量子的神奇特性，當(dāng)然是為了知道它能干什么。比如說，量子疊加原理就被科學(xué)家運用，開發(fā)出了超導(dǎo)量子計算機。所謂量子疊加，指的是一個量子可以同時存在好幾種狀態(tài)。更形象點說，就像是《西游記》里孫悟空的分身術(shù)。每當(dāng)遇到敵人數(shù)量特別多的時候，孫悟空就會從腦后拔出三根救命毫毛，變成無數(shù)自己的分身，一群猴子一起打怪，戰(zhàn)斗力自然幾何級提升。

量子也是如此，科學(xué)家用它的分身術(shù)，來幫我們的計算機實現(xiàn)并行運算。比如10的90次方，它比宇宙中所有粒子數(shù)還多，去分解這樣一個天文級大數(shù)，普通計算機需要15萬年，而未來的量子計算機只需要數(shù)秒。

可操控量子比特數(shù)量最多意味著什么？

目前我國在超導(dǎo)量子計算機研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先。這次中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊成功研制的超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”，是目前國際上超導(dǎo)量子比特數(shù)量最多的，操縱的超導(dǎo)量子比特達(dá)到62個。

那么量子比特數(shù)量最多意味著什么？可編程的二維量子行走又是什么概念？中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任袁嵐峰作出解答。

中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任 袁嵐峰： 這個量子隨機行走很神奇的，用這樣一個模型，它可以實現(xiàn)通用量子計算，就是說量子計算能夠?qū)崿F(xiàn)的任何功能，就或者說是任何的計算任務(wù)都可以通過這樣一種方式來實現(xiàn)。

中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任 袁嵐峰： 因為你要去做的肯定是那種計算機算得非常慢，比如交通規(guī)劃，就是我們現(xiàn)在車隊經(jīng)常堵車。但這個算法實在太慢了，所以你在使用當(dāng)中沒法用。每多一個路口，然后你考慮的這個數(shù)目，就得是乘上一個倍數(shù)。還有一類是制藥，我們現(xiàn)在開發(fā)一個新藥非常困難，因為可選擇的那個候選的藥物分子實在是太多了。然后就現(xiàn)有的辦法去篩選藥物就變成非常非常慢，就是人工那篩選。假如我們能夠通過計算機模擬，能夠讓量子計算機去在所有可能的這些候選分子當(dāng)中，快速篩選出那些最有希望的，這樣的話就能夠大大加快我們制藥的過程了。