在目前的經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，每個(gè)比特只能有二種狀態(tài)━━0或1，這構(gòu)成了數(shù)字計(jì)算領(lǐng)域的信息存儲(chǔ)基礎(chǔ)。而在量子計(jì)算機(jī)中，由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子比特可以同時(shí)擁有兩種狀態(tài)，這就意味著，N個(gè)量子比特可同時(shí)存儲(chǔ)和處理2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)。
從理論上說， 只需要6個(gè)量子比特，就可以達(dá)到目前64位的經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。一個(gè)40比特的量子計(jì)算機(jī)，能在很短時(shí)間內(nèi)解開當(dāng)前先進(jìn)的1024位電腦花上數(shù)十年解決的問題。50個(gè)量子比特的計(jì)算能力，把當(dāng)今世界前500名的超級(jí)計(jì)算機(jī)全部加起來，功能都無法勝過它，250量子比特所包含的比特?cái)?shù)超過宇宙內(nèi)的原子數(shù)量。
潘建偉團(tuán)隊(duì)成員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽告訴財(cái)新記者，現(xiàn)在他們的能力是做到8-10個(gè)量子比特，要在量子模擬上達(dá)到超越“天河二號(hào)”的水平，大約需要45個(gè)光子的量子系統(tǒng)，但這不是普適的量子計(jì)算機(jī)，而是針對(duì)特定問題的量子模擬機(jī)，而要達(dá)到超過現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)百億億倍的水平，大概需要100個(gè)量子比特。
但是，量子模擬和量子計(jì)算機(jī)對(duì)于量子比特操控的容錯(cuò)性要求大不一樣，前者可以認(rèn)為單一的物理比特就可以作為量子比特，但是后者出于糾錯(cuò)的目的，需要用多個(gè)物理量子比特去編碼一個(gè)邏輯比特，也就是說，用45個(gè)光子量子比特可以完成量子模擬，但是真正到量子計(jì)算機(jī)的時(shí)候，所說的100個(gè)比特應(yīng)該是邏輯比特，意味著幾百個(gè)物理量子比特。
“蘋果”還是“安卓”
IBM的科研人員最近在《自然通訊》上發(fā)表了使用超導(dǎo)材料制成的量子芯片原型電路。他們將超導(dǎo)材料制成的四個(gè)量子比特整合為一體，預(yù)計(jì)未來數(shù)年之內(nèi)即可以構(gòu)建出16位量子比特的量子計(jì)算機(jī)，未來五至十年之內(nèi)將達(dá)到數(shù)百位的量子比特。
理論上，實(shí)驗(yàn)室中任何可控的、有穩(wěn)定特征能態(tài)的量子系統(tǒng)都可以作為量子比特，比如離子、中性原子、光子等。但是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的量子比特做不了量子計(jì)算機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)量子運(yùn)算，用作量子比特的粒子必須處于纏結(jié)狀態(tài)，也就是所有的粒子都必須具備相干性。而且這種狀態(tài)必須保持盡量長的時(shí)間，也就是保持糾纏。這是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算面臨的兩個(gè)最大障礙。
目前實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的兩種主要研究途徑，就是基于量子光學(xué)的量子計(jì)算和固態(tài)量子計(jì)算。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中科院院士郭光燦說，固態(tài)量子計(jì)算機(jī)包括超導(dǎo)量子干涉或半導(dǎo)體材料量子點(diǎn)的操作，自旋、能級(jí)、磁通量、相位等都可以作為可操作的目標(biāo)。而量子光學(xué)則主要是操作束縛在腔、離子阱中的原子或離子，操作原子、離子的能級(jí)。
“這兩種方法各有優(yōu)劣，前者容易擴(kuò)充，但相干性不好，后者相干性好，但難以實(shí)現(xiàn)糾纏。”他說。
英國科技網(wǎng)站新科學(xué)家的顧問邁克爾•布魯克斯(Michael Brooks)2014年曾撰寫一篇名為《量子計(jì)算機(jī)購買指南》的文章，在這篇文章中，他把“自旋或超導(dǎo)”形容為量子計(jì)算世界的“蘋果或安卓”。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員周正威告訴財(cái)新記者，大家普遍認(rèn)為適宜做量子計(jì)算的系統(tǒng)應(yīng)該具有可集成性，并且期望量子計(jì)算系統(tǒng)能夠建立在現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)之上，希望建造量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)僅僅是產(chǎn)業(yè)的再升級(jí)，而不是在重新憑空建造一個(gè)全新的物理系統(tǒng)。
正是基于這樣的考慮，所以當(dāng)前半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)和超導(dǎo)電子學(xué)系統(tǒng)受到了美國和日本的高度重視。半導(dǎo)體集成電路和超導(dǎo)集成電路，這兩個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)有成熟的工業(yè)基礎(chǔ)，如果能夠在這樣的系統(tǒng)中通過產(chǎn)業(yè)升級(jí)建成量子計(jì)算機(jī)，無疑是這個(gè)行業(yè)的福音。
當(dāng)然，在他看來也不能完全絕對(duì)，不排除在這兩個(gè)系統(tǒng)之外的具有可集成的系統(tǒng)中構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的可能。
目前潘建偉團(tuán)隊(duì)在量子比特研究上主要是在光子糾纏領(lǐng)域有雄厚的積累，并在超冷原子做出了一些國際水平的量子模擬工作。2012年他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)八光子糾纏態(tài)的操縱，并實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò);2013年，他們首次成功實(shí)現(xiàn)了求解線性方程組的實(shí)驗(yàn);2015年，首次成功實(shí)現(xiàn)了量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法。
接受財(cái)新記者采訪的專家坦率地表示，多光子糾纏只是原理性驗(yàn)證，和做一臺(tái)計(jì)算機(jī)是兩個(gè)概念。因?yàn)樽龀烧嬲挠?jì)算機(jī)，有非常多的非科學(xué)成分，例如實(shí)用性如何，造價(jià)如何。
中科院物理所研究員趙士平對(duì)財(cái)新記者說，美國最近有很多關(guān)鍵性的進(jìn)展，把過去參數(shù)比較好的設(shè)計(jì)，弄到可以集成化的程度，這樣就可以做一些事了。雖然和真正的量子計(jì)算機(jī)還是有些距離，但在量子器件的設(shè)計(jì)上，尤其是在超導(dǎo)的領(lǐng)域，已經(jīng)有了比較統(tǒng)一的目標(biāo)。