量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)是世界科技前沿的(de)(de)(de)一個重(zhong)點(dian)研(yan)究(jiu)方(fang)向(xiang)，5月7日，《科學(xue)》雜志發(fa)表(biao)潘建偉院士(shi)團隊的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)成果，其成功(gong)研(yan)制了目前國際上超導量(liang)(liang)子(zi)(zi)比特數量(liang)(liang)最多的(de)(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)原型(xing)機“祖沖之號”，并在(zai)此基礎上實現了可編程的(de)(de)(de)二維量(liang)(liang)子(zi)(zi)行走。此前不久，由(you)我國科研(yan)人員主(zhu)導的(de)(de)(de)國際團隊在(zai)國際權威期刊(kan)上發(fa)表(biao)論文披露，他們研(yan)發(fa)出(chu)一款新型(xing)可編程光量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)芯(xin)片，實現了多種圖(tu)(tu)論問題的(de)(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)算(suan)(suan)(suan)法求解，有望應用在(zai)數據搜索、模式識別等(deng)領域。這(zhe)是世界上首(shou)款面向(xiang)圖(tu)(tu)論問題求解的(de)(de)(de)光量(liang)(liang)子(zi)(zi)芯(xin)片。
那么，什(shen)么是量(liang)子(zi)計(ji)算？新型可(ke)編程光量(liang)子(zi)計(ji)算芯(xin)片研(yan)制成功為什(shen)么能引起業內(nei)眾(zhong)多關(guan)注？
對此，記(ji)者采訪了新型可編程光量子計算芯片論(lun)文第一作者，軍事科(ke)學院(yuan)國防科(ke)技創新研究院(yuan)強曉剛(gang)研究員。
量子(zi)計算：顛覆(fu)傳統計算的新概念
量子計算(suan)是一種(zhong)建立在量子力學基礎上的新型計算(suan)模型，其(qi)基本計算(suan)單(dan)元是量子比特。
強曉剛介紹，量(liang)(liang)(liang)子比(bi)特(te)與(yu)我們熟悉的經典(dian)比(bi)特(te)不一樣，經典(dian)比(bi)特(te)要么(me)是(shi)0要么(me)是(shi)1，而量(liang)(liang)(liang)子比(bi)特(te)由于(yu)量(liang)(liang)(liang)子疊加性質，可以同時處(chu)在0或(huo)1的狀(zhuang)(zhuang)態。這樣對(dui)一個處(chu)于(yu)疊加狀(zhuang)(zhuang)態的量(liang)(liang)(liang)子比(bi)特(te)進行(xing)操控(kong)時，就相當于(yu)同時對(dui)0和1兩個態進行(xing)了操控(kong)。
“以一枚硬幣做比喻，經典的(de)(de)(de)計(ji)算只存(cun)在于‘正面’和‘反面’，而(er)量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算則(ze)不(bu)僅(jin)于此。隨著(zhu)量(liang)(liang)子(zi)比特數目的(de)(de)(de)增加，這種(zhong)量(liang)(liang)子(zi)比特的(de)(de)(de)疊加性質(zhi)蘊含著(zhu)巨大的(de)(de)(de)計(ji)算潛力。”他(ta)說(shuo)。
上(shang)個世紀80年代，美國物理(li)(li)學家費曼(man)提(ti)出(chu)(chu)用(yong)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)物理(li)(li)系統(tong)來構(gou)造計算(suan)機的(de)(de)(de)想法(fa)。上(shang)世紀90年代，能用(yong)于大數質因子(zi)(zi)(zi)分解的(de)(de)(de)Shor算(suan)法(fa)和能夠實現快(kuai)(kuai)速搜索的(de)(de)(de)Grover算(suan)法(fa)被先(xian)后(hou)提(ti)出(chu)(chu)，分別展(zhan)示了量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)在密(mi)碼破譯、數據搜索方面的(de)(de)(de)巨(ju)大潛(qian)力。2000年之后(hou)，隨(sui)著量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)理(li)(li)論的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)，量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)機的(de)(de)(de)硬件(jian)實現方面也在不斷發(fa)展(zhan)，包括超導、離子(zi)(zi)(zi)阱、光子(zi)(zi)(zi)、量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)點、拓撲等多種物理(li)(li)體系的(de)(de)(de)不同技(ji)術路線(xian)都在進步。近幾年，谷(gu)歌(ge)、IBM、微軟、英(ying)特(te)爾等高科(ke)技(ji)公司投(tou)入(ru)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)技(ji)術的(de)(de)(de)研究(jiu)，甚至(zhi)掀起“比(bi)特(te)數大戰”，量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)硬件(jian)系統(tong)的(de)(de)(de)系統(tong)規(gui)模、操控(kong)精(jing)度(du)等方面都得到快(kuai)(kuai)速發(fa)展(zhan)。
“作為新興的前沿技(ji)術，量子計算技(ji)術在國防(fang)軍(jun)事(shi)領域也(ye)同(tong)樣具(ju)有(you)巨大(da)(da)應(ying)用(yong)潛力。”強曉剛表示，比(bi)如，量子計算可(ke)以(yi)快速(su)地分(fen)解大(da)(da)數質(zhi)因(yin)子，這(zhe)將對(dui)現有(you)的密(mi)碼系統產生威脅(xie)；可(ke)以(yi)快速(su)地實現數據(ju)(ju)搜索、完成線性方(fang)程組求解等，這(zhe)可(ke)以(yi)在軍(jun)事(shi)大(da)(da)數據(ju)(ju)處理(li)、戰場智能規劃(hua)等應(ying)用(yong)方(fang)面發揮作用(yong)；在物理(li)化學分(fen)子模(mo)擬方(fang)面也(ye)具(ju)有(you)計算優勢(shi)，可(ke)以(yi)幫助(zhu)設計尋(xun)找(zhao)新的武(wu)器材料等。
光量子芯片：規(gui)模化量子計算的潛力途徑(jing)
在實(shi)現(xian)量子(zi)計算的(de)超導、離子(zi)阱、光子(zi)、量子(zi)點、拓撲(pu)等多(duo)種物理體系(xi)中(zhong)，光子(zi)系(xi)統具有抗外界(jie)干(gan)擾能(neng)力強、操作精(jing)度高、可室(shi)溫工作等特點，發展非常快(kuai)速。
光(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)就是(shi)(shi)將量(liang)(liang)(liang)子(zi)比特(te)信息編碼在單(dan)個光(guang)子(zi)上，通過對光(guang)子(zi)進(jin)行量(liang)(liang)(liang)子(zi)操控及測量(liang)(liang)(liang)來(lai)(lai)實(shi)現量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)。光(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)芯片技術是(shi)(shi)采用傳統的微納(na)加(jia)工工藝在單(dan)個芯片上集成大量(liang)(liang)(liang)的光(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)器件(jian)來(lai)(lai)實(shi)現量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)過程，具(ju)有高集成度、高精確度、高穩(wen)定性等優(you)勢，是(shi)(shi)實(shi)現大規模可實(shi)用化量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)機非常有潛力的途徑。
自2008年以來，光量子芯片技術迅速發展。
“2018年，我(wo)們首次實(shi)(shi)現(xian)了(le)(le)基于光子(zi)系(xi)統的通用(yong)兩比特光量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)，就是采用(yong)了(le)(le)光量(liang)(liang)(liang)子(zi)芯(xin)(xin)片技術(shu)(shu)。我(wo)們基于硅(gui)(gui)基集成(cheng)光學技術(shu)(shu)研(yan)制了(le)(le)通用(yong)兩比特光量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)芯(xin)(xin)片，集成(cheng)了(le)(le)超過200個光量(liang)(liang)(liang)子(zi)器件，能(neng)夠(gou)(gou)實(shi)(shi)現(xian)任意的兩比特量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)應(ying)用(yong)。這(zhe)項工作成(cheng)功(gong)地展示了(le)(le)硅(gui)(gui)基集成(cheng)光學技術(shu)(shu)在(zai)實(shi)(shi)現(xian)大規(gui)模光量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)芯(xin)(xin)片方面的潛力(li)。”強曉(xiao)剛(gang)介紹，“在(zai)之前的研(yan)究基礎上，我(wo)們瞄準(zhun)特定應(ying)用(yong)研(yan)制了(le)(le)一款新型的可(ke)編(bian)程(cheng)光量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)芯(xin)(xin)片，能(neng)夠(gou)(gou)進(jin)行(xing)量(liang)(liang)(liang)子(zi)漫(man)步可(ke)編(bian)程(cheng)動態模擬，從而(er)支持實(shi)(shi)現(xian)圖論問題(ti)量(liang)(liang)(liang)子(zi)算(suan)法，未來可(ke)能(neng)應(ying)用(yong)在(zai)數據庫搜索、模式識別等領域(yu)。相對(dui)于通用(yong)量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)，這(zhe)種專(zhuan)用(yong)光量(liang)(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)芯(xin)(xin)片有(you)可(ke)能(neng)可(ke)以率先實(shi)(shi)用(yong)化(hua)。”
這(zhe)里(li)的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)漫步，又稱量(liang)(liang)子(zi)行(xing)走，是(shi)量(liang)(liang)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)領域(yu)的(de)(de)一類重要計(ji)(ji)算(suan)模(mo)型。它是(shi)基于量(liang)(liang)子(zi)力學基本原理(li)，對應于經典的(de)(de)隨機漫步所提出的(de)(de)，是(shi)許(xu)多量(liang)(liang)子(zi)算(suan)法(fa)的(de)(de)理(li)論內核。
“舉例來說(shuo)，在一(yi)維直線(xian)上從(cong)原點出(chu)發，每走一(yi)步(bu)(bu)(bu)之(zhi)前拋一(yi)枚硬幣，如果(guo)硬幣正面朝上，則(ze)向(xiang)左(zuo)一(yi)步(bu)(bu)(bu)，反之(zhi)則(ze)向(xiang)右一(yi)步(bu)(bu)(bu)，不斷重復這(zhe)個過程，就(jiu)形成了一(yi)維直線(xian)上的(de)(de)(de)經(jing)典隨機漫(man)步(bu)(bu)(bu)。而在量(liang)子世(shi)界里，一(yi)個量(liang)子粒子具(ju)有量(liang)子疊加以及干涉(she)等性(xing)(xing)質(zhi)，就(jiu)可以同時向(xiang)左(zuo)和向(xiang)右走，這(zhe)樣(yang)所形成的(de)(de)(de)量(liang)子漫(man)步(bu)(bu)(bu)具(ju)有與(yu)經(jing)典隨機漫(man)步(bu)(bu)(bu)完(wan)全不同的(de)(de)(de)性(xing)(xing)質(zhi)。利用量(liang)子漫(man)步(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)這(zhe)些獨(du)特性(xing)(xing)質(zhi)就(jiu)可能設計出(chu)計算速度更(geng)快的(de)(de)(de)量(liang)子算法(fa)。”他說(shuo)。
強曉(xiao)剛(gang)介紹(shao)：“在最近的(de)(de)研究工作中，我們所實(shi)現的(de)(de)可(ke)編程光量(liang)(liang)子計算芯片能夠對量(liang)(liang)子漫(man)步的(de)(de)演化時間、哈密頓(dun)量(liang)(liang)、粒(li)子全(quan)同性、粒(li)子交換特性等要素進(jin)行(xing)完全(quan)調(diao)控，實(shi)現不同參數的(de)(de)量(liang)(liang)子漫(man)步過程，從(cong)而支持運行(xing)一系列基于(yu)量(liang)(liang)子漫(man)步模(mo)型(xing)的(de)(de)量(liang)(liang)子算法(fa)，比如圖(tu)頂點(dian)搜索、圖(tu)同構等圖(tu)論問題的(de)(de)量(liang)(liang)子算法(fa)。”
記者了解到，這款(kuan)芯(xin)片(pian)(pian)在國際上首次(ci)實(shi)現了多粒子(zi)量(liang)子(zi)漫(man)步的(de)可編程動態模擬，最大的(de)亮點有2個：一是(shi)它(ta)的(de)可編程性(xing)，通過電學調(diao)控片(pian)(pian)上元件來實(shi)現不同參數的(de)量(liang)子(zi)漫(man)步模擬，從而支持基于(yu)量(liang)子(zi)漫(man)步模型的(de)不同量(liang)子(zi)算(suan)法運行；二是(shi)它(ta)的(de)可擴展性(xing)，與通用量(liang)子(zi)計算(suan)相比，所(suo)提出(chu)的(de)芯(xin)片(pian)(pian)架構相對簡(jian)單(dan)，基于(yu)硅光技術能夠更(geng)容易進行擴展，來實(shi)現未來可實(shi)用化的(de)光量(liang)子(zi)計算(suan)系統(tong)。
未來發(fa)展：機遇無(wu)限卻任重道遠
量子計算技術的(de)(de)研究，特別(bie)是光(guang)量子芯(xin)片研制，涉及(ji)物理(li)、數學(xue)、電(dian)子、半導體、計算機(ji)等多學(xue)科(ke)背景的(de)(de)前沿(yan)交(jiao)叉(cha)領(ling)域，需要多學(xue)科(ke)深(shen)度(du)融合(he)、團隊集體合(he)力(li)。新(xin)型(xing)可編程(cheng)光(guang)量子芯(xin)片就是由來(lai)自軍事科(ke)學(xue)院、國防(fang)科(ke)技大(da)學(xue)、中山大(da)學(xue)等科(ke)研機(ji)構組成的(de)(de)聯(lian)合(he)團隊共同完成的(de)(de)，集合(he)了國內(nei)外從事光(guang)量子計算領(ling)域研究的(de)(de)很(hen)多專家的(de)(de)力(li)量。
“當然，隨(sui)著芯片(pian)規模(mo)的(de)增(zeng)大，它的(de)計(ji)算能力將不斷增(zeng)長。但(dan)芯片(pian)上(shang)(shang)元(yuan)件(jian)之間的(de)串擾、噪聲等因素也隨(sui)之逐(zhu)漸增(zeng)大，如何實(shi)現芯片(pian)計(ji)算過程中的(de)糾錯(cuo)容錯(cuo)是一(yi)項技術(shu)挑戰(zhan)。”強(qiang)曉剛說，同時，如何實(shi)現片(pian)上(shang)(shang)的(de)多(duo)光子產生及操(cao)控也是需(xu)要(yao)解決的(de)另一(yi)技術(shu)挑戰(zhan)。
“解決這些挑戰，一(yi)方面(mian)我們需要(yao)不斷優化器件(jian)設計(ji)、提升芯片研制水平，另一(yi)方面(mian)也可以利(li)用智能算法等(deng)從軟件(jian)層面(mian)來(lai)補(bu)償芯片噪聲誤差等(deng)。”他說。
美國、英國、歐盟等(deng)(deng)都(dou)非常重視量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)等(deng)(deng)量(liang)(liang)子(zi)(zi)信息(xi)技術(shu)(shu)(shu)的(de)發展，特(te)別(bie)是國外高科技企(qi)業如(ru)谷(gu)歌、IBM、微軟(ruan)、英特(te)爾等(deng)(deng)企(qi)業在量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)技術(shu)(shu)(shu)方面(mian)投入了(le)大量(liang)(liang)資源，在推(tui)動量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)技術(shu)(shu)(shu)由基礎(chu)研(yan)究向(xiang)工(gong)程化發展邁進方面(mian)取得了(le)顯(xian)著(zhu)的(de)成效。我(wo)國在量(liang)(liang)子(zi)(zi)技術(shu)(shu)(shu)領域的(de)布(bu)局、研(yan)究方面(mian)，也(ye)走(zou)在了(le)世界(jie)的(de)前列。應(ying)該說中國在量(liang)(liang)子(zi)(zi)技術(shu)(shu)(shu)領域已(yi)經占有一席之地，特(te)別(bie)是在量(liang)(liang)子(zi)(zi)通信、光(guang)量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)等(deng)(deng)方向(xiang)上(shang)處于國際先進水平。
記者注意(yi)(yi)到，不久前(qian)發布的(de)(de)《中華人民共和(he)國(guo)國(guo)民經濟和(he)社會發展第(di)十四(si)個五(wu)年規劃和(he)2035年遠景目標(biao)綱(gang)要(yao)》，明確提出要(yao)瞄準人工智能、量(liang)子(zi)信(xin)(xin)息(xi)、集成電(dian)路、生命健康(kang)、腦科(ke)學(xue)等前(qian)沿(yan)領域，實(shi)施(shi)一(yi)批具有前(qian)瞻性、戰略性的(de)(de)國(guo)家(jia)重大科(ke)技(ji)項目。量(liang)子(zi)信(xin)(xin)息(xi)的(de)(de)重要(yao)性可見一(yi)斑。今(jin)年教育部也新增了量(liang)子(zi)信(xin)(xin)息(xi)科(ke)學(xue)專業，這意(yi)(yi)味著量(liang)子(zi)技(ji)術領域在人才培養、科(ke)研發展方面進入了新的(de)(de)階段。
“對于我(wo)們從事(shi)量子計(ji)算領域(yu)研(yan)(yan)(yan)究的科研(yan)(yan)(yan)人(ren)員(yuan)來(lai)說，能夠將國(guo)家需要和個人(ren)專業(ye)結合起來(lai)，開展研(yan)(yan)(yan)究工作(zuo)，非常令人(ren)振奮。”強曉剛說。