2017年5月3日：世界首台单光子量子计算机诞生的那一刻
2017年5月3日，中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟在上海宣布，世界首台光量子计算机在我国诞生。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被国际学术界称为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。
为何要研制量子计算机
从20世纪70年代开始，计算机性能的提升完全符合摩尔定律预测，即每18个月集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的性能也相应提升近一倍。但2005年后这种趋势就开始放缓，极其微小的集成电路面临散热等问题考验。如果按这个趋势继续发展，当集成电路的尺寸接近原子级别的时候，电子的运动也不再遵守经典物理学规律，这个时候量子力学将起到主导作用。量子计算利用量子相干叠加原理，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。并行计算让量子计算机1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需花费数百万年时间才能处理的问题。
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由于量子计算机巨大的潜在价值，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。目前，国际学术界认为基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术最有可能取得突破，我国在这三个方面均有世界领先的表现。
我国量子计算机研究领先世界
在光子体系，中国科学技术大学潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子和十光子纠缠，一直保持着国际领先水平。2018年又刷新了世界光子纠缠新纪录，提升到18个光量子纠缠，并自主研发了世界上最高品质和最高效率的量子点单光子源。潘建伟研究团队利用该量子点单光子源，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，该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少2.4万倍。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)的运行速度快10～100倍。
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在超導体系，2015年，谷歌、美国国家航空航天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。这个纪录在2017年被中国科学家团队打破。潘建伟、朱晓波、王浩华等自主研发了10比特超导量子线路样品，通过发展全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。同时，研究团队用这一处理器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。由于药物筛选、星体运动规律、气象预报等很多问题其实都可以归结为线性方程问题，因此这也就说明，基于超导线路体系的量子计算机有很强的应用前景。
这意味着我国科学家在基于光子体系和超导体系的量子计算机研究方面都取得重大突破：在光量子计算机研究中，建造了世界上超越早期经典计算机的光量子计算原型机；在超导量子计算机研究中，实现了世界上纠缠数目最多的超导量子比特处理器。
量子计算机的未来发展优势
, http://www.100md.com 量子计算机不会取代经典计算机，但将会在执行对现有计算机来说太过复杂的任务方面表现出众，特别是那些需要在大数据里面展开搜索和对大数进行质因数分解的任务。这就使得它能够在一些特定的应用场景有很好的优势，如加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、人工智能、太空探索等领域。
在天气预测方面，量子计算机可以帮助人类建立更好的气候模型，从而让我们更深入地了解人类是如何影响环境的。这些模型是我们用来对未来气候变暖进行评估的工具，可以帮助人类确定需要采取什么措施来防止灾难的发生。
在加密通信领域，一切现有的密码学都将被重新改写，因为用量子计算机能轻易破译所有密码。如经典的RSA算法，若用400位数的整数来做一个RSA密钥，依托现有的经典计算机需要60万年才能完成破译，但是对于量子计算机只要3个小时就能够破译。
在药物设计领域，开发一种新药需要开展无数不同分子组合方式的实验，才能够找到有效治愈某种疾病的药物特性，这个过程需要持续数年。量子计算机能在短期内绘制数以万计的分子组合模式，并迅速确定最有可能生效的组合，极大地节省药物的研发成本和周期。
在材料科学方面，我们常用的塑料就是一种人工合成的复合材料，如果我们通过量子计算机来模拟计算分子结构，可以合成耐高温、耐极寒，或者更轻薄、更坚硬的新型复合材料。
在交通治理方面，通过量子计算机，我们可以把整个城市甚至整个地球上所有人的出行计划全部输入进去，它就能瞬间设计出最佳出行路线，从而让人们彻底告别交通拥堵。
(本刊记者)
【责任编辑】蒲 晖, 百拇医药
为何要研制量子计算机
从20世纪70年代开始，计算机性能的提升完全符合摩尔定律预测，即每18个月集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的性能也相应提升近一倍。但2005年后这种趋势就开始放缓，极其微小的集成电路面临散热等问题考验。如果按这个趋势继续发展，当集成电路的尺寸接近原子级别的时候，电子的运动也不再遵守经典物理学规律，这个时候量子力学将起到主导作用。量子计算利用量子相干叠加原理，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。并行计算让量子计算机1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需花费数百万年时间才能处理的问题。
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由于量子计算机巨大的潜在价值，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。目前，国际学术界认为基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术最有可能取得突破，我国在这三个方面均有世界领先的表现。
我国量子计算机研究领先世界
在光子体系，中国科学技术大学潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子和十光子纠缠，一直保持着国际领先水平。2018年又刷新了世界光子纠缠新纪录，提升到18个光量子纠缠，并自主研发了世界上最高品质和最高效率的量子点单光子源。潘建伟研究团队利用该量子点单光子源，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，该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少2.4万倍。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)的运行速度快10～100倍。
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在超導体系，2015年，谷歌、美国国家航空航天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。这个纪录在2017年被中国科学家团队打破。潘建伟、朱晓波、王浩华等自主研发了10比特超导量子线路样品，通过发展全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的纠缠和完整的测量。同时，研究团队用这一处理器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。由于药物筛选、星体运动规律、气象预报等很多问题其实都可以归结为线性方程问题，因此这也就说明，基于超导线路体系的量子计算机有很强的应用前景。
这意味着我国科学家在基于光子体系和超导体系的量子计算机研究方面都取得重大突破：在光量子计算机研究中，建造了世界上超越早期经典计算机的光量子计算原型机；在超导量子计算机研究中，实现了世界上纠缠数目最多的超导量子比特处理器。
量子计算机的未来发展优势
, http://www.100md.com 量子计算机不会取代经典计算机，但将会在执行对现有计算机来说太过复杂的任务方面表现出众，特别是那些需要在大数据里面展开搜索和对大数进行质因数分解的任务。这就使得它能够在一些特定的应用场景有很好的优势，如加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、人工智能、太空探索等领域。
在天气预测方面，量子计算机可以帮助人类建立更好的气候模型，从而让我们更深入地了解人类是如何影响环境的。这些模型是我们用来对未来气候变暖进行评估的工具，可以帮助人类确定需要采取什么措施来防止灾难的发生。
在加密通信领域，一切现有的密码学都将被重新改写，因为用量子计算机能轻易破译所有密码。如经典的RSA算法，若用400位数的整数来做一个RSA密钥，依托现有的经典计算机需要60万年才能完成破译，但是对于量子计算机只要3个小时就能够破译。
在药物设计领域，开发一种新药需要开展无数不同分子组合方式的实验，才能够找到有效治愈某种疾病的药物特性，这个过程需要持续数年。量子计算机能在短期内绘制数以万计的分子组合模式，并迅速确定最有可能生效的组合，极大地节省药物的研发成本和周期。
在材料科学方面，我们常用的塑料就是一种人工合成的复合材料，如果我们通过量子计算机来模拟计算分子结构，可以合成耐高温、耐极寒，或者更轻薄、更坚硬的新型复合材料。
在交通治理方面，通过量子计算机，我们可以把整个城市甚至整个地球上所有人的出行计划全部输入进去，它就能瞬间设计出最佳出行路线，从而让人们彻底告别交通拥堵。
(本刊记者)
【责任编辑】蒲 晖, 百拇医药