進(jìn)入八月以來，我國發(fā)射世界首顆量子通信衛(wèi)星“墨子”成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。無論中國人還是全世界的科學(xué)家，都在期待著初步構(gòu)建“天地一體化”量子通信網(wǎng)絡(luò)的美好而又神奇的未來。
就在此時(shí)，聚焦于“墨子”的人們少有注意到，最新一期的物理領(lǐng)域重要期刊《自然·光子學(xué)》在線發(fā)表的一個(gè)重要成果：中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒教授 研究 組研制出一種全新的量子計(jì)算機(jī)——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(zhì)。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(gè)實(shí)驗(yàn)室傳輸?shù)搅硪粋€(gè)實(shí)驗(yàn)室。這種特定的量子模擬器的一個(gè)根本任務(wù)，就是來 研究 運(yùn)用經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法求解的一些量子物理基本問題。
這是專用量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得的又一個(gè)重要進(jìn)展。對一般人而言，這項(xiàng)成果的專業(yè)性讓人如讀天書，而專家們卻清楚地知道，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)是科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)和發(fā)達(dá)國家的戰(zhàn)略重點(diǎn)。那么，量子計(jì)算為什么會(huì)獲得這樣的重視？
答案，必須要從經(jīng)典計(jì)算機(jī)說起。飛速發(fā)展的經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)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(xiàn)實(shí)世界進(jìn)入栩栩如生的幻想世界；敲擊幾下鍵盤，醫(yī)生就可以引導(dǎo)著一串串質(zhì)子精準(zhǔn)地殺死癌細(xì)胞； 分析 鏡片振動(dòng)，能“看到”十幾億年前的黑洞合并。
然后，正如大家熟知，經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展所遵循的摩爾定律——“集成電路上可容納的電晶體數(shù)目，約每隔24個(gè)月便會(huì)增加一倍”——其基礎(chǔ)是不斷提高的單子芯片的集成度，這個(gè)技術(shù)受到兩個(gè)主要物理限制：芯片的發(fā)熱，巨大的能耗甚至?xí)?dǎo)致芯片燒穿；終極運(yùn)算單元是單電子晶體管，器件尺寸小于10納米時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電子的隧穿效應(yīng)，對運(yùn)算單元的操控會(huì)出現(xiàn)致命影響。摩爾效應(yīng)的失效已經(jīng)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，這就意味著現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力上升空間已越來越小。怎么辦？
量子計(jì)算機(jī)這一解決方案逐漸進(jìn)入大眾視野。量子計(jì)算機(jī)用量子比特作為運(yùn)算單元，具有天然的并行計(jì)算能力。同時(shí)由于量子操作的可逆性，可以大大降低能耗。一個(gè)經(jīng)典比特只存在0或1兩種狀態(tài)，而一個(gè)量子比特不僅可以處于0，1兩種狀態(tài)，還可以處于0和1的疊加態(tài)。因此，N個(gè)量子比特的存儲能力是N個(gè)經(jīng)典比特的2的N次方倍，隨N指數(shù)增長。250個(gè)量子比特的存儲器就能夠同時(shí)存儲比宇宙中的原子數(shù)目還要多的數(shù)據(jù)。對N個(gè)量子比特實(shí)行一次操作，其效果相當(dāng)于對經(jīng)典存儲器進(jìn)行2N次操作，這就是量子計(jì)算機(jī)的巨大并行運(yùn)算能力。
相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)具有海量的計(jì)算能力和無限的未來。這也是美國、歐盟和日本在國家戰(zhàn)略中將量子計(jì)算放到重中之重的原因。
和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的核心部件是CPU一樣，量子計(jì)算機(jī)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(dǎo)量子芯片和半導(dǎo)體量子芯片等。而半導(dǎo)體量子芯片具有可集成、工業(yè)化容易等優(yōu)勢。
2004年以來，世界上許多著名 研究 機(jī)構(gòu)，如美國哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)，日本東京大學(xué)，荷蘭理工大學(xué)等都投入了很大力量，在半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為量子芯片的 研究 方面取得一系列重大進(jìn)展。
作為迄今國內(nèi)唯一以量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)為目標(biāo)的 研究 組，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭光燦院士帶領(lǐng)下的郭國平教授組現(xiàn)在主要的精力就投入到了半導(dǎo)體量子芯片的 研究 中。雖然起步比國際同行晚幾年，這個(gè) 研究 小組已經(jīng)取得了一系列國際一流水準(zhǔn)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(tài)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(zhàn)略重視和支持下，國內(nèi)量子計(jì)算方面的 研究 已經(jīng)形成新的熱潮。1981年費(fèi)曼提出量子計(jì)算機(jī)概念，同年，世界上第一臺PC才剛被生產(chǎn)出來。對比經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)目前還處在“晶體管”向“集成電路”過渡的初級階段。當(dāng)下，各國正激烈競爭研制普適量子計(jì)算機(jī)，以搶占這項(xiàng)新技術(shù)的制高點(diǎn)。未來，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)走出實(shí)驗(yàn)室，必將深刻改變?nèi)祟惿鐣?huì)的面貌，幫助人類更好地探索無限可能的未來。
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