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          “墨子號”量子通信的意義

          作者:石家莊安防監控工程發布時間:2016-10-29

          進入八月以來,我國發射世界首顆量子通信衛星“墨子”成為全球關注的熱點。無論中國人還是全世界的科學家,都在期待著初步構建“天地一體化”量子通信網絡的美好而又神奇的未來。

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          就在此時,聚焦于“墨子”的人們少有注意到,最新一期的物理領域重要期刊《自然·光子學》在線發表的一個重要成果:中科院量子信息重點實驗室李傳鋒教授研究組研制出一種全新的量子計算機——非局域性量子模擬器。而非局域性就是愛因斯坦所說的量子糾纏具有“幽靈般的超距作用”特質。利用這一特性,研究組通過特定的量子模擬,能使信息以超過1.9倍的光速從一個實驗室傳輸到另一個實驗室。這種特定的量子模擬器的一個根本任務,就是來研究運用經典計算機無法求解的一些量子物理基本問題。

           

          這是專用量子計算機領域取得的又一個重要進展。對一般人而言,這項成果的專業性讓人如讀天書,而專家們卻清楚地知道,量子計算機已經是科研領域的熱點和發達國家的戰略重點。那么,量子計算為什么會獲得這樣的重視?

           

          答案,必須要從經典計算機說起。飛速發展的經典計算機已經影響到我們生活和科研的方方面面:戴上一副眼鏡,就可以讓自己從現實世界進入栩栩如生的幻想世界;敲擊幾下鍵盤,醫生就可以引導著一串串質子精準地殺死癌細胞;分析鏡片振動,能“看到”十幾億年前的黑洞合并。

           

          然后,正如大家熟知,經典計算機發展所遵循的摩爾定律——“集成電路上可容納的電晶體數目,約每隔24個月便會增加一倍”——其基礎是不斷提高的單子芯片的集成度,這個技術受到兩個主要物理限制:芯片的發熱,巨大的能耗甚至會導致芯片燒穿;終極運算單元是單電子晶體管,器件尺寸小于10納米時,會出現電子的隧穿效應,對運算單元的操控會出現致命影響。摩爾效應的失效已經進入倒計時,這就意味著現代電子計算機計算能力上升空間已越來越小。怎么辦?

           

          量子計算機這一解決方案逐漸進入大眾視野。量子計算機用量子比特作為運算單元,具有天然的并行計算能力。同時由于量子操作的可逆性,可以大大降低能耗。一個經典比特只存在0或1兩種狀態,而一個量子比特不僅可以處于0,1兩種狀態,還可以處于0和1的疊加態。因此,N個量子比特的存儲能力是N個經典比特的2的N次方倍,隨N指數增長。250個量子比特的存儲器就能夠同時存儲比宇宙中的原子數目還要多的數據。對N個量子比特實行一次操作,其效果相當于對經典存儲器進行2N次操作,這就是量子計算機的巨大并行運算能力。

           

          相比經典計算機,量子計算機具有海量的計算能力和無限的未來。這也是美國、歐盟和日本在國家戰略中將量子計算放到重中之重的原因。

           

          和傳統計算機的核心部件是CPU一樣,量子計算機的核心部件是量子芯片。國際主流量子芯片方案有離子阱量子芯片、超導量子芯片和半導體量子芯片等。而半導體量子芯片具有可集成、工業化容易等優勢。

           

          2004年以來,世界上許多著名研究機構,如美國哈佛大學、麻省理工學院、普林斯頓大學,日本東京大學,荷蘭理工大學等都投入了很大力量,在半導體量子點作為量子芯片的研究方面取得一系列重大進展。

           

          作為迄今國內唯一以量子計算機的設計為目標的研究組,中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室郭光燦院士帶領下的郭國平教授組現在主要的精力就投入到了半導體量子芯片的研究中。雖然起步比國際同行晚幾年,這個研究小組已經取得了一系列國際一流水準的研究成果,比如單比特超快普適量子邏輯門、單比特超快普適量子邏輯門、單比特中電子自旋態演化的高效讀取、量子受控非邏輯、三比特量子邏輯門、多量子比特的長程耦合等等。

           

          在國家的戰略重視和支持下,國內量子計算方面的研究已經形成新的熱潮。1981年費曼提出量子計算機概念,同年,世界上第一臺PC才剛被生產出來。對比經典計算機發展,量子計算機目前還處在“晶體管”向“集成電路”過渡的初級階段。當下,各國正激烈競爭研制普適量子計算機,以搶占這項新技術的制高點。未來,當量子計算機走出實驗室,必將深刻改變人類社會的面貌,幫助人類更好地探索無限可能的未來。

           

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