欧宝体育

業務資訊
欧宝体育  > 新聞中心 > 業務資訊

量子計算何時投入實用? 光子可能是個關鍵角色

發布日期: 2021-05-14 信息來源:欧宝体育

   量子計算(suan)是世界科(ke)技前沿的一個重點研究方向,5月7日(ri),《科(ke)學》雜志(zhi)發表潘建偉院士團(tuan)隊(dui)的研究成果,其成功研制了(le)(le)目前國際(ji)上超(chao)導量子比特數量最多的量子計算(suan)原型機“祖(zu)沖之號”,并在此(ci)基礎上實(shi)現(xian)了(le)(le)可編程的二維量子行走。此(ci)前不久(jiu),由(you)我(wo)國科(ke)研人(ren)員主導的國際(ji)團(tuan)隊(dui)在國際(ji)權威期刊上發表論文披露,他們研發出(chu)一款新型可編程光量子計算(suan)芯片(pian),實(shi)現(xian)了(le)(le)多種圖論問題的量子算(suan)法(fa)求解(jie),有(you)望(wang)應用(yong)在數據(ju)搜索、模式識(shi)別等領域。這是世界上首款面向圖論問題求解(jie)的光量子芯片(pian)。

  那么(me)(me),什么(me)(me)是量子計算?新型可編程光(guang)量子計算芯片研制成(cheng)功為(wei)什么(me)(me)能(neng)引起(qi)業內眾多關注?

  對此,記者采(cai)訪(fang)了新型(xing)可編程光(guang)量子計算芯片(pian)論文第一作(zuo)者,軍事科學院國防科技創新研究院強曉(xiao)剛(gang)研究員。

  量子(zi)計算: 顛覆傳統計算的新(xin)概念

  量子(zi)計(ji)算是一種(zhong)建立在量子(zi)力學基礎上的新型計(ji)算模(mo)型,其基本計(ji)算單元是量子(zi)比特。

  強曉剛介紹,量(liang)(liang)(liang)(liang)子比(bi)(bi)特(te)與我們熟悉的(de)經(jing)(jing)典比(bi)(bi)特(te)不(bu)一樣(yang),經(jing)(jing)典比(bi)(bi)特(te)要么是(shi)(shi)0要么是(shi)(shi)1,而量(liang)(liang)(liang)(liang)子比(bi)(bi)特(te)由(you)于量(liang)(liang)(liang)(liang)子疊加性質,可以同時處在0或1的(de)狀(zhuang)態(tai)(tai)。這樣(yang)對(dui)一個處于疊加狀(zhuang)態(tai)(tai)的(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)子比(bi)(bi)特(te)進行(xing)操(cao)控(kong)時,就相當于同時對(dui)0和1兩個態(tai)(tai)進行(xing)了操(cao)控(kong)。

  “以一枚硬幣(bi)做比喻(yu),經典的(de)計(ji)算只存在于‘正面’和‘反面’,而(er)量子計(ji)算則(ze)不僅于此。隨著量子比特數目的(de)增(zeng)加(jia),這種量子比特的(de)疊加(jia)性質蘊含著巨大的(de)計(ji)算潛力(li)。”他說。

  上(shang)個世紀80年代,美國物理(li)學家費(fei)曼提出用量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)物理(li)系(xi)統來構(gou)造計算(suan)(suan)(suan)機的(de)想法(fa)。上(shang)世紀90年代,能(neng)(neng)用于大(da)數質因(yin)子(zi)(zi)(zi)分(fen)解的(de)Shor算(suan)(suan)(suan)法(fa)和能(neng)(neng)夠實(shi)現快(kuai)速(su)搜索的(de)Grover算(suan)(suan)(suan)法(fa)被先(xian)后提出,分(fen)別展(zhan)(zhan)示了量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)(suan)(suan)在密(mi)碼破譯、數據搜索方(fang)面的(de)巨大(da)潛力。2000年之后,隨(sui)著量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)(suan)(suan)理(li)論的(de)發展(zhan)(zhan),量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)(suan)(suan)機的(de)硬件(jian)實(shi)現方(fang)面也在不斷發展(zhan)(zhan),包括超導、離子(zi)(zi)(zi)阱(jing)、光子(zi)(zi)(zi)、量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)點、拓(tuo)撲等(deng)多(duo)種(zhong)物理(li)體系(xi)的(de)不同技術路線(xian)都在進(jin)步。近幾年,谷歌、IBM、微軟(ruan)、英特(te)爾(er)等(deng)高科技公司投入量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)(suan)(suan)技術的(de)研究,甚(shen)至掀(xian)起(qi)“比(bi)特(te)數大(da)戰”,量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)(suan)(suan)硬件(jian)系(xi)統的(de)系(xi)統規模(mo)、操控(kong)精度等(deng)方(fang)面都得到快(kuai)速(su)發展(zhan)(zhan)。

  “作為(wei)新興的(de)前沿技術(shu),量(liang)子計算技術(shu)在國防軍(jun)(jun)事領域也(ye)同樣具有(you)巨大應用(yong)潛力。”強(qiang)曉剛表示,比如(ru),量(liang)子計算可(ke)以快(kuai)速(su)(su)地分解大數(shu)質因子,這將(jiang)對(dui)現(xian)有(you)的(de)密(mi)碼系統產生威脅;可(ke)以快(kuai)速(su)(su)地實現(xian)數(shu)據(ju)搜索(suo)、完(wan)成線性(xing)方(fang)程組求解等,這可(ke)以在軍(jun)(jun)事大數(shu)據(ju)處理、戰場智能規劃等應用(yong)方(fang)面發揮作用(yong);在物理化學(xue)分子模擬方(fang)面也(ye)具有(you)計算優勢(shi),可(ke)以幫助設計尋(xun)找新的(de)武器材料等。

  光量子芯片: 規模化(hua)量子計算(suan)的潛力途(tu)徑(jing)

  在實現(xian)量(liang)子計算的超導、離子阱、光(guang)子、量(liang)子點(dian)、拓撲等多種物理(li)體系(xi)(xi)中,光(guang)子系(xi)(xi)統具有抗外(wai)界干擾能力強、操作精度高(gao)、可室溫工作等特點(dian),發(fa)展非常快速。

  光量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)就是將量子(zi)比特信息編碼在單個光子(zi)上,通過(guo)對(dui)光子(zi)進行量子(zi)操控及測量來實現(xian)量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)。光量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)芯片(pian)技術是采用(yong)傳(chuan)統的微(wei)納加(jia)工工藝在單個芯片(pian)上集(ji)成大量的光量子(zi)器件來實現(xian)量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)過(guo)程,具有(you)高(gao)集(ji)成度、高(gao)精確(que)度、高(gao)穩(wen)定性等優勢,是實現(xian)大規模可實用(yong)化量子(zi)計(ji)算(suan)(suan)(suan)機非常有(you)潛力的途徑。

  自(zi)2008年以來,光量子芯片技術(shu)迅速發展(zhan)。

  “2018年,我(wo)們首(shou)次實(shi)現了基(ji)于光(guang)(guang)子(zi)(zi)系(xi)統的(de)通(tong)用(yong)(yong)(yong)兩比特(te)(te)光(guang)(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan),就是采用(yong)(yong)(yong)了光(guang)(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)芯片技(ji)術(shu)。我(wo)們基(ji)于硅(gui)基(ji)集(ji)成(cheng)光(guang)(guang)學技(ji)術(shu)研制(zhi)了通(tong)用(yong)(yong)(yong)兩比特(te)(te)光(guang)(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)芯片,集(ji)成(cheng)了超過200個光(guang)(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)器件(jian),能夠(gou)(gou)實(shi)現任(ren)意的(de)兩比特(te)(te)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)應(ying)用(yong)(yong)(yong)。這(zhe)項工作成(cheng)功地展示了硅(gui)基(ji)集(ji)成(cheng)光(guang)(guang)學技(ji)術(shu)在(zai)實(shi)現大規模光(guang)(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)芯片方面的(de)潛力。”強曉剛(gang)介紹,“在(zai)之(zhi)前的(de)研究基(ji)礎上,我(wo)們瞄準特(te)(te)定(ding)應(ying)用(yong)(yong)(yong)研制(zhi)了一(yi)款新型的(de)可(ke)編程光(guang)(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)芯片,能夠(gou)(gou)進行量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)漫步可(ke)編程動(dong)態(tai)模擬,從而支持實(shi)現圖(tu)論問題量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)算(suan)(suan)法,未來可(ke)能應(ying)用(yong)(yong)(yong)在(zai)數(shu)據庫(ku)搜索、模式(shi)識(shi)別等(deng)領域。相對于通(tong)用(yong)(yong)(yong)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan),這(zhe)種專用(yong)(yong)(yong)光(guang)(guang)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)(suan)芯片有可(ke)能可(ke)以率先實(shi)用(yong)(yong)(yong)化。”

  這里的(de)量(liang)子漫(man)步,又稱量(liang)子行走,是(shi)量(liang)子計(ji)算領(ling)域的(de)一類重要計(ji)算模型。它是(shi)基于量(liang)子力(li)學(xue)基本原理(li),對應于經典的(de)隨機漫(man)步所提出(chu)的(de),是(shi)許(xu)多量(liang)子算法的(de)理(li)論內(nei)核。

  “舉例(li)來說,在一(yi)維(wei)直(zhi)線上(shang)從原(yuan)點(dian)出發,每(mei)走一(yi)步(bu)之前拋(pao)一(yi)枚硬幣(bi),如果(guo)硬幣(bi)正面朝(chao)上(shang),則向(xiang)左一(yi)步(bu),反之則向(xiang)右一(yi)步(bu),不斷重復這個過程,就(jiu)形成了一(yi)維(wei)直(zhi)線上(shang)的經典(dian)隨(sui)(sui)機漫步(bu)。而在量(liang)子世(shi)界里,一(yi)個量(liang)子粒子具有量(liang)子疊加以及干涉等性(xing)質(zhi),就(jiu)可以同時(shi)向(xiang)左和(he)向(xiang)右走,這樣所形成的量(liang)子漫步(bu)具有與經典(dian)隨(sui)(sui)機漫步(bu)完(wan)全(quan)不同的性(xing)質(zhi)。利用量(liang)子漫步(bu)的這些獨特性(xing)質(zhi)就(jiu)可能(neng)設(she)計(ji)出計(ji)算速度更快的量(liang)子算法。”他說。

  強曉剛介(jie)紹: “在最(zui)近的(de)研究工作中,我們所(suo)實(shi)現的(de)可(ke)編程光量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)算芯片(pian)能夠對量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)漫(man)(man)步(bu)的(de)演化時間、哈(ha)密頓量(liang)(liang)、粒子(zi)(zi)(zi)全同性、粒子(zi)(zi)(zi)交換特性等(deng)要素進行完全調(diao)控,實(shi)現不同參(can)數的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)漫(man)(man)步(bu)過程,從而支持運行一系列(lie)基于量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)漫(man)(man)步(bu)模(mo)型的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)算法(fa),比如圖(tu)(tu)頂點搜(sou)索、圖(tu)(tu)同構等(deng)圖(tu)(tu)論(lun)問題(ti)的(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)算法(fa)。”

  記者了(le)解到(dao),這(zhe)款芯片在國際(ji)上首次實現(xian)了(le)多粒(li)子量(liang)(liang)子漫(man)(man)(man)步的可(ke)編(bian)程動態模(mo)擬,最(zui)大的亮點有2個(ge): 一是(shi)它的可(ke)編(bian)程性,通過電學調控片上元件來(lai)實現(xian)不同參數(shu)的量(liang)(liang)子漫(man)(man)(man)步模(mo)擬,從而(er)支持基(ji)(ji)于量(liang)(liang)子漫(man)(man)(man)步模(mo)型的不同量(liang)(liang)子算法運行(xing)(xing);二(er)是(shi)它的可(ke)擴(kuo)展(zhan)性,與(yu)通用量(liang)(liang)子計算相比,所提出的芯片架構相對簡單,基(ji)(ji)于硅光技術能(neng)夠更容易進行(xing)(xing)擴(kuo)展(zhan),來(lai)實現(xian)未來(lai)可(ke)實用化的光量(liang)(liang)子計算系統。

  未來發展(zhan): 機遇無限卻任重道遠

  量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)技術(shu)的研究,特別是光量(liang)子(zi)芯(xin)片研制(zhi),涉及(ji)物理、數學(xue)、電子(zi)、半導體、計(ji)算(suan)機等多學(xue)科背(bei)景的前(qian)沿交叉(cha)領(ling)域,需要多學(xue)科深度融(rong)合、團隊集體合力。新型可編程光量(liang)子(zi)芯(xin)片就是由來自軍事(shi)科學(xue)院(yuan)、國防科技大(da)學(xue)、中山大(da)學(xue)等科研機構組成的聯合團隊共同完成的,集合了國內(nei)外(wai)從事(shi)光量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)領(ling)域研究的很多專家的力量(liang)。

  “當(dang)然,隨著芯片規模的增大,它的計算能力將不斷增長。但芯片上(shang)元件(jian)之間的串擾、噪(zao)聲等因素也隨之逐漸增大,如何(he)實(shi)現(xian)芯片計算過程中(zhong)的糾錯容(rong)錯是(shi)一(yi)項技術挑戰。”強曉剛說,同時,如何(he)實(shi)現(xian)片上(shang)的多光(guang)子產生及操控也是(shi)需(xu)要解決的另一(yi)技術挑戰。

  “解決這些(xie)挑戰,一方(fang)面(mian)(mian)我們(men)需(xu)要不(bu)斷優化器件設計、提(ti)升芯片研(yan)制水平,另一方(fang)面(mian)(mian)也(ye)可以利用(yong)智能算法等從軟(ruan)件層面(mian)(mian)來補(bu)償(chang)芯片噪聲誤差等。”他說。

  美國(guo)(guo)、英(ying)(ying)國(guo)(guo)、歐盟(meng)等(deng)都非常(chang)重視(shi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算等(deng)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)信(xin)息技術(shu)的(de)發(fa)展(zhan),特別是國(guo)(guo)外高科技企(qi)業如(ru)谷歌、IBM、微(wei)軟、英(ying)(ying)特爾等(deng)企(qi)業在(zai)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算技術(shu)方面(mian)投入了大量(liang)(liang)資源(yuan),在(zai)推動量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算技術(shu)由(you)基礎研究向工程化(hua)發(fa)展(zhan)邁進(jin)(jin)方面(mian)取得了顯著(zhu)的(de)成效。我國(guo)(guo)在(zai)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)技術(shu)領(ling)域(yu)的(de)布(bu)局(ju)、研究方面(mian),也走在(zai)了世界的(de)前列。應該說中國(guo)(guo)在(zai)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)技術(shu)領(ling)域(yu)已經占有一(yi)席(xi)之地(di),特別是在(zai)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)通信(xin)、光量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)(ji)算等(deng)方向上處于國(guo)(guo)際(ji)先進(jin)(jin)水平。

  記(ji)者注(zhu)意到,不久前(qian)發布的(de)(de)《中(zhong)華人民(min)共和(he)(he)國(guo)國(guo)民(min)經濟和(he)(he)社會發展第十(shi)四個五年(nian)(nian)規劃和(he)(he)2035年(nian)(nian)遠景目(mu)標綱要(yao)》,明(ming)確提出要(yao)瞄準(zhun)人工智能、量子信息、集成電路(lu)、生命健康、腦科(ke)(ke)學等前(qian)沿領域,實施(shi)一批具有前(qian)瞻性(xing)、戰略性(xing)的(de)(de)國(guo)家重(zhong)大科(ke)(ke)技(ji)項目(mu)。量子信息的(de)(de)重(zhong)要(yao)性(xing)可(ke)見(jian)一斑。今年(nian)(nian)教(jiao)育(yu)部也(ye)新(xin)增了量子信息科(ke)(ke)學專業,這意味著(zhu)量子技(ji)術領域在人才培養、科(ke)(ke)研發展方面(mian)進(jin)入了新(xin)的(de)(de)階段。

  “對于我們從(cong)事量子(zi)計算(suan)領域研(yan)(yan)究(jiu)的科研(yan)(yan)人(ren)員來(lai)說,能夠將國家(jia)需要和(he)個人(ren)專業結合起來(lai),開展(zhan)研(yan)(yan)究(jiu)工作,非常令人(ren)振奮。”強曉剛說。

媒體垂詢

E-mail:ZNJ@mucagel.com

欧宝体育