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導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”研制成功
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”研制成功。
經(jīng)過(guò)多年努力，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近期成功構(gòu)建了包含62個(gè)比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，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(guó)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(guó)際上超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目最多的超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)。
量子計(jì)算機(jī)是什么“黑科技”？
要解釋“祖沖之號(hào)”有多強(qiáng)？首先要回答一個(gè)問(wèn)題：量子計(jì)算機(jī)是什么？量子計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)嗎？答案是肯定的，但量子計(jì)算機(jī)和我們現(xiàn)在所理解的“電腦”差別很大，首先兩者的計(jì)算形式不一樣，電腦通過(guò)電路的開(kāi)和關(guān)進(jìn)行計(jì)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(huì)轉(zhuǎn)換成1和0，再進(jìn)行傳輸、運(yùn)算與存儲(chǔ)。而量子計(jì)算機(jī)則以量子的狀態(tài)作為計(jì)算形式。
目前的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)使用的是不同的粒子，比如就在去年年底，我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)成功研制出量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，它就是光量子計(jì)算原型機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，“九章”處理特定問(wèn)題的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍，同時(shí)也等效地比谷歌此前發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍，成功實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算領(lǐng)域的第一個(gè)里程碑——量子計(jì)算優(yōu)越性。
量子是各種物理量的最小單元
量子計(jì)算原型機(jī)“算術(shù)”有多強(qiáng)？什么是量子？
相比超級(jí)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度都是以“億”為倍數(shù)單位的，由此可見(jiàn)其量子計(jì)算能力到底有多么強(qiáng)悍，那么量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度為什么高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那么多呢？要想搞清楚這一點(diǎn)，先得知道什么是量子，它有哪些脾氣和個(gè)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，不可再被分割。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(wú)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(gè)呼吸，都有上萬(wàn)億的量子在移動(dòng)。
量子具有哪些神奇特性？
量子之小，看不見(jiàn)摸不著，卻真實(shí)存在，因此又被稱作世紀(jì)“幽靈”。下面我們就來(lái)了解量子具有哪些神奇特性。
中國(guó)科協(xié)“源新聞”專家?guī)斐蓡T、中科院物理所固態(tài)量子實(shí)驗(yàn)室主任 范桁：（量子的神奇特性）就是不可分割，（量子）有這樣的一個(gè)性質(zhì)。比方說(shuō)1個(gè)人，2個(gè)人，就不能說(shuō)是0.5個(gè)人，1.5個(gè)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(gè)量子都是一成不變的，因?yàn)樗瑫r(shí)具備不確定性。
中國(guó)科協(xié)“源新聞”專家?guī)斐蓡T、中科院物理所固態(tài)量子實(shí)驗(yàn)室主任 范桁：舉個(gè)例子，比方說(shuō)這個(gè)杯子。比方說(shuō)我們從正面來(lái)看它的時(shí)候，那在墻上看到的這一個(gè)圖像可能是一個(gè)矩形。從這個(gè)方向看過(guò)來(lái)的話，我們可能看到的是個(gè)圓形。
從不同的方向可以讀取到不同的狀態(tài)，同時(shí)任何來(lái)自外部的探測(cè)都會(huì)對(duì)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(cè)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(jì)算機(jī)的原理是什么？
說(shuō)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(shuō)，量子疊加原理就被科學(xué)家運(yùn)用，開(kāi)發(fā)出了超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。所謂量子疊加，指的是一個(gè)量子可以同時(shí)存在好幾種狀態(tài)。更形象點(diǎn)說(shuō)，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(shí)候，孫悟空就會(huì)從腦后拔出三根救命毫毛，變成無(wú)數(shù)自己的分身，一群猴子一起打怪，戰(zhàn)斗力自然呈幾何級(jí)提升。
量子也是如此，科學(xué)家用它的分身術(shù)，來(lái)幫我們的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)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(gè)天文級(jí)大數(shù)，普通計(jì)算機(jī)需要15萬(wàn)年，而未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)只需要數(shù)秒。
可操控量子比特?cái)?shù)量最多意味著什么？
目前我國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先。這次中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)成功研制的超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，是目前國(guó)際上超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量最多的，操縱的超導(dǎo)量子比特達(dá)到62個(gè)。
那么量子比特?cái)?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(guó)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(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任 袁嵐峰：這個(gè)量子隨機(jī)行走是很神奇的，用這樣一個(gè)模型，它可以實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算，就是說(shuō)量子計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)的任何功能，或者說(shuō)是任何的計(jì)算任務(wù)都可以通過(guò)這樣一種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任 袁嵐峰：因?yàn)槟阋プ龅目隙ㄊ悄欠N計(jì)算機(jī)算得非常慢的，比如交通規(guī)劃，就是我們現(xiàn)在車隊(duì)經(jīng)常堵車。但這個(gè)算法實(shí)在太慢了，所以在使用當(dāng)中沒(méi)法用。每多一個(gè)路口，然后所需要考慮的這個(gè)數(shù)目，就得乘上一個(gè)倍數(shù)。還有一類是制藥，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)一個(gè)新藥非常困難，因?yàn)榭蛇x擇的候選藥物分子實(shí)在是太多了。然后就現(xiàn)有的辦法去篩選藥物就會(huì)非常非常慢，因?yàn)槭侨斯?lái)篩選。假如我們能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，能夠讓量子計(jì)算機(jī)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候選藥物分子，這樣的話就能夠大大加快我們制藥的過(guò)程了。
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