什么是量子计算？光量子计算芯片何时实用化？

2021-05-13 14:15:32 来源：科技日报

我们瞄准特定应用研制了一款新型的可编程光量子计算芯片，能够进行量子漫步可编程动态模拟，从而支持实现图论问题量子算法，未来可能应用在数据库搜索、模式识别等领域。相对于通用量子计算，这种专用光量子计算芯片有可能可以率先实用化。

强晓刚军事科学院国防科技创新研究院研究员

量子计算是世界科技前沿的一个重点研究方向，5月7日，《科学》杂志发表潘建伟院士团队的研究成果，其成功研制了目前国际上超导量子比特数量最多的量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。此前不久，由我国科研人员主导的国际团队在国际权威期刊上发表论文披露，他们研发出一款新型可编程光量子计算芯片，实现了多种图论问题的量子算法求解，有望应用在数据搜索、模式识别等领域。这是世界上首款面向图论问题求解的光量子芯片。

那么，什么是量子计算？新型可编程光量子计算芯片研制成功为什么能引起业内众多关注？

对此，记者采访了新型可编程光量子计算芯片论文第一作者，军事科学院国防科技创新研究院强晓刚研究员。

量子计算：颠覆传统计算的新概念

量子计算是一种建立在量子力学基础上的新型计算模型，其基本计算单元是量子比特。

强晓刚介绍，量子比特与我们熟悉的经典比特不一样，经典比特要么是0要么是1，而量子比特由于量子叠加性质，可以同时处在0或1的状态。这样对一个处于叠加状态的量子比特进行操控时，就相当于同时对0和1两个态进行了操控。

“以一枚硬币做比喻，经典的计算只存在于‘正面’和‘反面’，而量子计算则不仅于此。随着量子比特数目的增加，这种量子比特的叠加性质蕴含着巨大的计算潜力。”他说。

上个世纪80年代，美国物理学家费曼提出用量子物理系统来构造计算机的想法。上世纪90年代，能用于大数质因子分解的Shor算法和能够实现快速搜索的Grover算法被先后提出，分别展示了量子计算在密码破译、数据搜索方面的巨大潜力。2000年之后，随着量子计算理论的发展，量子计算机的硬件实现方面也在不断发展，包括超导、离子阱、光子、量子点、拓扑等多种物理体系的不同技术路线都在进步。近几年，谷歌、IBM、微软、英特尔等高科技公司投入量子计算技术的研究，甚至掀起“比特数大战”，量子计算硬件系统的系统规模、操控精度等方面都得到快速发展。

“作为新兴的前沿技术，量子计算技术在国防军事领域也同样具有巨大应用潜力。”强晓刚表示，比如，量子计算可以快速地分解大数质因子，这将对现有的密码系统产生威胁；可以快速地实现数据搜索、完成线性方程组求解等，这可以在军事大数据处理、战场智能规划等应用方面发挥作用；在物理化学分子模拟方面也具有计算优势，可以帮助设计寻找新的武器材料等。

光量子芯片：规模化量子计算的潜力途径

在实现量子计算的超导、离子阱、光子、量子点、拓扑等多种物理体系中，光子系统具有抗外界干扰能力强、操作精度高、可室温工作等特点，发展非常快速。

光量子计算就是将量子比特信息编码在单个光子上，通过对光子进行量子操控及测量来实现量子计算。光量子计算芯片技术是采用传统的微纳加工工艺在单个芯片上集成大量的光量子器件来实现量子计算过程，具有高集成度、高精确度、高稳定性等优势，是实现大规模可实用化量子计算机非常有潜力的途径。

自2008年以来，光量子芯片技术迅速发展。

“2018年，我们首次实现了基于光子系统的通用两比特光量子计算，就是采用了光量子芯片技术。我们基于硅基集成光学技术研制了通用两比特光量子计算芯片，集成了超过200个光量子器件，能够实现任意的两比特量子计算应用。这项工作成功地展示了硅基集成光学技术在实现大规模光量子计算芯片方面的潜力。”强晓刚介绍，“在之前的研究基础上，我们瞄准特定应用研制了一款新型的可编程光量子计算芯片，能够进行量子漫步可编程动态模拟，从而支持实现图论问题量子算法，未来可能应用在数据库搜索、模式识别等领域。相对于通用量子计算，这种专用光量子计算芯片有可能可以率先实用化。”

这里的量子漫步，又称量子行走，是量子计算领域的一类重要计算模型。它是基于量子力学基本原理，对应于经典的随机漫步所提出的，是许多量子算法的理论内核。

“举例来说，在一维直线上从原点出发，每走一步之前抛一枚硬币，如果硬币正面朝上，则向左一步，反之则向右一步，不断重复这个过程，就形成了一维直线上的经典随机漫步。而在量子世界里，一个量子粒子具有量子叠加以及干涉等性质，就可以同时向左和向右走，这样所形成的量子漫步具有与经典随机漫步完全不同的性质。利用量子漫步的这些独特性质就可能设计出计算速度更快的量子算法。”他说。

强晓刚介绍：“在最近的研究工作中，我们所实现的可编程光量子计算芯片能够对量子漫步的演化时间、哈密顿量、粒子全同性、粒子交换特性等要素进行完全调控，实现不同参数的量子漫步过程，从而支持运行一系列基于量子漫步模型的量子算法，比如图顶点搜索、图同构等图论问题的量子算法。”

记者了解到，这款芯片在国际上首次实现了多粒子量子漫步的可编程动态模拟，最大的亮点有2个：一是它的可编程性，通过电学调控片上元件来实现不同参数的量子漫步模拟，从而支持基于量子漫步模型的不同量子算法运行；二是它的可扩展性，与通用量子计算相比，所提出的芯片架构相对简单，基于硅光技术能够更容易进行扩展，来实现未来可实用化的光量子计算系统。

未来发展：机遇无限却任重道远

量子计算技术的研究，特别是光量子芯片研制，涉及物理、数学、电子、半导体、计算机等多学科背景的前沿交叉领域，需要多学科深度融合、团队集体合力。新型可编程光量子芯片就是由来自军事科学院、国防科技大学、中山大学等科研机构组成的联合团队共同完成的，集合了国内外从事光量子计算领域研究的很多专家的力量。

“当然，随着芯片规模的增大，它的计算能力将不断增长。但芯片上元件之间的串扰、噪声等因素也随之逐渐增大，如何实现芯片计算过程中的纠错容错是一项技术挑战。”强晓刚说，同时，如何实现片上的多光子产生及操控也是需要解决的另一技术挑战。

“解决这些挑战，一方面我们需要不断优化器件设计、提升芯片研制水平，另一方面也可以利用智能算法等从软件层面来补偿芯片噪声误差等。”他说。

美国、英国、欧盟等都非常重视量子计算等量子信息技术的发展，特别是国外高科技企业如谷歌、IBM、微软、英特尔等企业在量子计算技术方面投入了大量资源，在推动量子计算技术由基础研究向工程化发展迈进方面取得了显著的成效。我国在量子技术领域的布局、研究方面，也走在了世界的前列。应该说中国在量子技术领域已经占有一席之地，特别是在量子通信、光量子计算等方向上处于国际先进水平。

记者注意到，不久前发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，明确提出要瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。量子信息的重要性可见一斑。今年教育部也新增了量子信息科学专业，这意味着量子技术领域在人才培养、科研发展方面进入了新的阶段。

“对于我们从事量子计算领域研究的科研人员来说，能够将国家需要和个人专业结合起来，开展研究工作，非常令人振奋。”

标签：量子计算光量子计算芯片科学