什么是超导量子计算机？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-09-23 08:43 标签： 量子计算机和超级计算机的区别

（原标题：百年的超越：量子物理学与量子计算机）

第1页：经典物理的挑战

【中关村在线原创】在今天如果问计算机领域最前沿的是什么，我个人认为一方面是机器学习、神经网络的运用让人工智能表现出了超越人类的能力，比如明天就要在乌镇与柯洁下围棋的Alpha Go，就打破了过去一直认为的、复杂的围棋计算机还难以超越人类的观念；另外一个领域，则是属于量子计算机，可以说我们极有可能是幸运的一代人，有机会亲历量子计算带来的变革。

那么什么是量子、什么又是量子计算机？我觉得作为中关村在线的网友有必要知道。我在翻阅了不少资料之后，写出此文，希望能用浅显的语音能让你有所了解这个全新的领域，多少也知道量子理论诞生的来龙去脉。

我们先把时钟拨回到一个多世纪以前的十九世纪末、二十世纪初。很奇怪，能在一个时代集中出现如此之多的科学巨匠在人类整个文明史上也不多见，但那个时代恰好正是。以牛顿为代表的经典物理学在一代代人的深入研究之后，终于来到了突破的十字路口。


对黑体辐射的研究产生了突破

冬天北方人为主，都会有暖气。而南方则普遍是空调，于是有人说空调加热没有暖气舒服。这其中的道理，就与热的传递方式有关。热有三种传递方式：传导、对流和辐射，暖气的辐射热有点类似阳光的热辐射，所以我们感觉上更好。一百多年以前，正式对于黑体辐射的深入研究，打开了量子物理世界的大门。


光的研究有力佐证了量子理论，后面会说到

十九世纪末的时候，人民普遍认为经典物理学已经非常完善了。但是很多实践中的观察发现，当处于高速状态下的时候，经典物理学就会出问题。这其中重要的研究对象是光。我们都知道牛顿用三棱镜把阳光折射成立七种颜色，牛顿坚持认为光是由一份份粒子组成的，因为光可以用镜子反射。


为了纪念麦克斯韦，nVIDIA的一代GPU的核心就以他的名字命名

但是菲涅尔等人在18世纪早期发现了光的干涉现象，和水波纹一样，这是光是一种波的证明。那么光到底是小颗粒还是一直波，争议了很久。在1873年，另一个伟人麦克斯韦发表了电磁理论，并且实验测速发现电磁波的速度和光速差不多，于是得到结论是光也是一种电磁波。


第2页：普朗克与爱因斯坦

当时经典物理学有个很重要的研究对象就是绝对黑体。这个物体在冷的时候不发光，而是吸纳光线和热。在电磁学理论之后，绝对黑体的理论又有了进展。当时人们已经知道热辐射也是电磁波的一种形式。


对高热物体发光变色的研究导致了悖论出现

我们都知道铁加热会变红，当温度高的时候会熔化发出白光或是蓝光，可以看到的光就是它辐射出来电磁波的可见部分。当温度变冷之后不是不辐射，而是我们看不见，相比之下红外摄像机、胶片就能看到很多肉眼看不到的热辐射。那么当一个物体升温进而因为高温发热，会得到这样的推论，随着温度升高、辐射的增强，从红色变成蓝色的时候，应该是所有波段的都增强，但蓝色的短波段会增强更多，进而我们观察到的是蓝色，而不是红色部分。但是这个理论继续推论的话，会发现当温度继续升高后，紫外部分辐射出去的能量会越来越高而接近无线大，这显然与观测是不符合的，事实上是会衰减。


普朗克第一次提出能量是一份份传输的，并给出了量子的定义

在1900年，普朗克给出了一个理论来解释这个现象，那就是把一个物体想象成为无数个谐振的小的振子的集合，辐射就是这些振子（就是今天我们知道的原子或是分子）的震动，它们的振幅是一定的，而频率可以从0到无穷大。当分割了物体之后，普朗克推导出来一个经验公式，这个公式里面，他首次提出，能量的传递不是人们想象当中的连续传递，而是一份份的传递，每一份是个很小的量，这个量是.cn/638/6384818.html

IBM公司宣称，其已经研制出了一台能运行127个量子比特的量子计算机“鹰”，这是迄今全球最大的超导量子计算机。据悉，该公司计划2年后推出超过1000个量子比特的计算机。2019年谷歌“悬铃木”处理器实现了量子霸权，该处理器包含54个量子比特；此后，中国科技大学推出了62个量子比特可编程超导量子计算原型机。研制出超过100个量子比特的计算机，表明这项技术具有可拓展性。

纳米“计算机”研制成功

创建用于精准医疗的纳米级计算机，长期以来一直是许多科学家和医疗机构的梦想。现在，美国宾夕法尼亚州立大学研究人员首次研制出一种纳米“计算机”，可控制参与细胞运动和癌症转移的特定蛋白质的功能。该研究为构建用于癌症和其他疾病的复杂设备铺平了道路。

近日，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组，在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得系列重要进展。在光学体系，研究团队在去年首次实现十光子纠缠操纵的基础上，利用高品质量子点单光子源构建了用于玻色取样的多光子可编程量子计算原型机，首次演示了超越早期经典计算机（ENIAC、TRADIC）的量子计算能力。在超导体系，研究团队打破了之前由谷歌、NASA和UCSB公开报道的九个超导量子比特的操纵，首次实现了十个超导量子比特的纠缠，并在此基础上实现了快速求解线性方程组的量子算法。系列成果已由国际权威学术期刊《自然光子学》《物理评论快报》发表或接收。

量子计算利用量子相干叠加原理，在原理上具有超快的并行计算和模拟能力，计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，可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。例如，一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可超过超级计算机。发展量子计算技术的主要挑战是通过发展高精度、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。根据各物理体系内在优势及其在实现多粒子相干操纵和纠缠方面的发展现状和潜力，目前，国际学术界在基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算和量子模拟技术发展上总体领先。由于量子计算的巨大潜在价值，欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源，开展协同攻关；同时，大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也纷纷强势介入量子计算研究。

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平，并于2016年底把纪录刷新至十光子纠缠。在此基础上，团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。实验测试表明，该原型机的“玻色取样”速度不仅比国际同行之前类似的所有实验加快至少24000倍；同时，通过和经典算法比较，也比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10-100倍。5月2日，该研究成果以长文的形式在线发表于《自然光子学》。这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。朝着这个目标，潘建伟研究团队将计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵。

在超导体系，2015年，谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。这个记录在2017年被中国科学家团队首次打破。朱晓波、王浩华和陆朝阳、潘建伟等合作，自主研发了10比特超导量子线路样品，通过高精度脉冲控制和全局纠缠方案，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。进一步，研究团队利用超导量子线路演示了求解线性方程组的量子算法，证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性（成果即将发表于《物理评论快报》）。研究团队正在致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试，并计划于今年年底前发布面向公众的量子云计算平台。

上述工作由中国科学技术大学、浙江大学、中科院物理所等协同完成，系列工作得到了国家自然科学基金委、科技部和教育部2011计划等的资助。

（中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、量子信息和量子科技前沿创新中心、合肥微尺度物质科学国际实验室国家实验室、物理学院、科研部）

1.首次实现超越早期经典计算机的多光子波色取样论文：
2.首次实现10个超导量子比特的纠缠：；

我要回帖

更多关于 量子计算机和超级计算机的区别 的文章

 

随机推荐