什么是量子计算?
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2024-04-26
量子计算机是指利用量子相干叠加原理,理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。随着可操纵的粒子数的增加,量子计算机的计算能力呈指数增长,可以为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案,具有巨大的发展潜力。一台操纵 50个微观粒子的量子计算机,对一些特定问题的处理能力甚至比超级计算机更强。如果现在经典计算机的速度是自行车,那量子计算机的速度就好比飞机。并行计算让量子计算机一秒钟就可完成超级计算机几年的计算任务,几天内就能解决传统计算机花费数百万年时间才能处理的问题。正是因为其广阔的发展前景,许多欧美发达国家以及大型高科技公司纷纷布局相关研究。
目前,发展这一技术的关键在于如何通过发展高精度、高效率的量子态制备与相互作用控制技术,实现规模化量子比特的相干操纵。国际上学术界对于量子计算技术的研究主要基于光子、超冷原子和超导线路三个体系上。我国科学家日前在光子和超导线路上取得的重大突破,对于量子计算机的研究与应用具有标志性意义。
中国国科技大学潘建伟院士在上海宣布,世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生了。这个“世界第一”是真正的“中国制造”。这是中国科技大学潘建伟教授及其同事陆朝阳和朱晓波与浙江大学王浩华教授的研究团队取得突破性进展的结果。我们科研团队成功构建的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。量子计算机计算速度:比最快的快240000倍。
早在2019年5月份的时候,我国正式宣布成功构建了世界首台超越版单光子量子计算机,在全球范围内也是引起了很大的反响。目前来说,在量子计算机的运算速度方面,中国是遥遥领先于美国的,而在灵活操作方面,美国则是领先于中国。总体而言,两国在量子计算机领域的实力不分伯仲。
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。
是的,目前已经有一些公司和研究机构成功研制出了量子计算机,但是这些量子计算机的规模和性能还远远不足以取代传统计算机,而且量子计算机的成本和稳定性也是目前面临的挑战之一。虽然目前还没有量子计算机能够广泛应用于商业和科学领域,但是相关领域的研究和发展正在不断推进,未来可能会出现更加先进和实用的量子计算机。
光量子计算技术
是将光子当成量子比特。光子有三个性质可以构成量子状态:自旋、偏振(polarization)和路径(path)。路径是指光子经光子分离器(photon splitter)后因为量子机率的特性可能由不同方向行进,特别是在量子通讯和量子计算中的光源都是单光子。单一光子采取路径A就不会再走路径B,反之亦然。然而在未量测之前我们无法得知光子采取哪一条路径,这就是两种状态的叠加。
光量子技术具有量子比特相干时间长、操控简单、与光纤和集成光学技术相容,拓展性好。劣势就在于很难小型化,量子比特之间逻辑操作困难,无法进行编程。从这一点上来看,光量子技术难以发展为通用量子计算机。
超导量子计算技术
可以用超导体的电荷、相位和磁通量三种方式来形成量子比特,目前普遍用电荷(叫transmon)的方式,IBM与Google的53位比特量子计算机皆采取此种技术。而国内中科院、中科大、本源量子、浙江大学等在此技术上均有布局。
超导量子技术的优势在于量子比特可控性强、拓展性良好、可依托现有成熟的集成电路工艺。但劣势也很明显,为了保障退相干时间,超导量子比特必须在接近绝对零度的真空环境下运行。这不仅要求超导体系必须要有强大的低温制冷系统,还在一定程度上限制了量比特的拓展。