五一假期刚过，科技界就迎来一个重磅消息：世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机原型机诞生！中国科学院5月3日在上海举行新闻发布会发布了这一消息。
这次一共发布了两个量子计算机的原型，一种基于超导，一种基于光学。其中，10比特超导量子线路样品，演示了求解线性方程组的量子算法，相关成果即将发表于国际权威期刊《物理评论快报》。
中科院研制的光量子计算机线路图 中国科学院阿里巴巴量子计算实验室供图
针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机，是历史上第一台超越早期经典计算机量子模拟机，比国际同行类似的实验加快至少24000倍，5月2日，该研究成果以长文的形式在线发表于《自然光子学》。
更令人振奋的是，这个“世界首台”是货真价实的“中国造”，属中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组攻关突破的成果。
什么是量子计算机？曾有人打过一个比方：如果现在传统计算机的速度是自行车，量子计算机的速度就好比飞机。使用亿亿次的“天河二号”超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组，所需时间为100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组，仅需0.01秒。
中国科学院阿里巴巴量子计算实验室 资料图
多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，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。在超导体系，2015年，谷歌、美国航天航空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。这个记录在2017年被中国科学家团队打破。
根据今天发布会上的消息，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。进一步，研究团队利用超导量子线路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。相关成果即将发表于国际权威期刊《物理评论快报》。
在光量子计算方面，潘建伟、陆朝阳等利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，并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不仅比国际同行类似的实验加快至少24000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）运行速度快10-100倍。
中科院微博截图
以前，量子计算速度比经典计算机快还只是停留在理论中，而该台原型机将这一理论变成现实迈出了坚实的第一步，把量子计算机真正推向和经典计算机竞争的擂台。这是历史上第一台超越早期经典计算机量子模拟机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。
在超导体系，该研究团队自主研发了10比特超导量子线路样品，通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。这一成果打破了美国之前保持的9个量子比特操纵的记录，形成了一个完整的超导计算机的系统，使我国在超导体系量子计算机研究领域也进入世界一流水平行列。
根据计划，潘建伟研究团队将计划在今年年底实现大约 20 个光量子比特的操纵， 20 个超导量子比特样品的设计、制备和测试，量子计算机的速度将会成指数增长。
量子计算机是指利用量子相干叠加原理，理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。随着可操纵的粒子数的增加，量子计算机的计算能力呈指数增长，可以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，具有巨大的发展潜力。一台操纵 50个微观粒子的量子计算机，对一些特定问题的处理能力甚至比超级计算机更强。如果现在经典计算机的速度是自行车，那量子计算机的速度就好比飞机。并行计算让量子计算机一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花费数百万年时间才能处理的问题。正是因为其广阔的发展前景，许多欧美发达国家以及大型高科技公司纷纷布局相关研究。
目前，发展这一技术的关键在于如何通过发展高精度、高效率的量子态制备与相互作用控制技术，实现规模化量子比特的相干操纵。国际上学术界对于量子计算技术的研究主要基于光子、超冷原子和超导线路三个体系上。我国科学家日前在光子和超导线路上取得的重大突破，对于量子计算机的研究与应用具有标志性意义。
实际上，潘建伟、陆朝阳等科学家构建出的是量子计算的原型机，比早期经典计算机（指世界首台经典算法计算机埃尼阿克）运行速度快10到100倍。由于该计算机目前尚属于早期的实验室阶段，在运算能力上还无法与现代的计算机相比，因此这是我国量子计算机研究取得的重大国际突破，并不是真正造出了可投入应用的量子计算机。潘建伟院士也表示，要造出有一定应用价值的量子计算机，还需要10到20年的努力。
5月3日，中国科学技术大学潘建伟院士（右二）在上海宣布，我国科研团队成功构建的光量子计算机，首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力。
潘建伟（右）和陆朝阳（左）
据央视新闻报道，近日，中国科技大学的潘建伟、陆朝阳等科学家成功构建出世界上第一台计算速度超越早期经典计算机的光量子计算机，而且在全球首次实现了10个超导量子比特的高精度操纵，为迈入量子计算时代奠定了坚实的技术基础。
实验测试表明，该量子计算原型机，比早期经典计算机运行速度快10到100倍。由于该计算机目前尚属于早期的实验室阶段，在运算能力上还无法与现代的计算机相比，但是随着可操纵粒子数的增加，量子计算机的计算能力将呈现指数级的爆发式增长，未来性能将远超现代计算机，如果现在的传统计算机的速度是自行车，那么量子计算机的速度就好比飞机。
中国科技学技术大学陆朝阳教授指出，在这个原型机上运行一些量子算法，我们发现它的速度跟我们国际同行进行比较，比第二名要快24000多倍。
量子计算机是指利用量子相干叠加原理，理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机，其中，多粒子纠缠的操纵是量子计算机研发中最关键的技术制高点。
2015年，谷歌、美国航天航空局（NASA）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。此次，潘建伟及其同事朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组，首次实现10个超导量子比特的纠缠，在基于超导体系的量子计算机研究方面取得突破性进展。
不过，由于高精度量子操控技术的极端复杂性，目前对其的研究仍处在早期发展阶段。“量子计算机就像初生的婴儿，未来最终会长成什么样子，对整个科学界还是个未知数。”潘建伟说。
潘建伟说，在量子计算基础研究领域，就计算能力而言，科学界有三个达成共识的指标性节点：第一步超越首台经典计算机，第二步超越商用CPU，第三步超越超级计算机。“目前我们实现的只是其中的第一步，但这一小步却是重要的一步。”
陆朝阳表示，预计年底可以实现操纵20个量子比特、达到目前商用CPU水平；到2020年，有望实现操纵45个量子比特的目标，向经典超级计算机的计算能力发起挑战。
5月3日，中国科学技术大学陆朝阳教授（中）和学生们在中科院量子信息和量子科技创新研究院上海实验室检查光量子计算机的运行情况。
潘建伟表示，希望通过10到20年的努力，看看能不能真正搞出一台有一定的应用价值的、比较普遍的、可以稳定运行的专用量子计算机。这是我们的一个奋斗目标。
对于量子计算机的未来，潘建伟有足够的乐观。
“10年内，超导量子操纵有可能做到100个粒子。到那时，它对某些特定问题的计算能力就可以达到目前全世界所有计算能力之和的100万倍，计算能力将会突飞猛进。”潘建伟说，此外量子计算机能耗更低。
专家认为，计算能力极限的大幅提升，意味着量子计算机可以分析更多数据。比如，实现精准的天气预报，躲避飓风海啸；计算优化的出行线路，让城市减少堵车；识别有效的分子组合，降低药物的研发成本和周期；甚至可以用于探索太空，较快辨别可能存有生命体的行星。
潘建伟预测，造出“专用”量子计算机，在求解材料设计、化学研究、物理研究等特别需要、特别有用的问题上超越“超级计算机”，有望在10年后出现，最终还将拓展到量子人工智能领域。
5月3日，一名科研人员在中科院量子信息和量子科技创新研究院上海实验室内调整操作台上的激光干扰器。
47岁的中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟，再一次站在聚光灯下。5月3日，他代表团队在上海宣布两件关于量子的喜讯：成功研制世界首台超越早期经典计算机的量子计算机；成功实现目前世界上最大数目(10个)超导量子比特纠缠。
相关成果分别发表于国际学术期刊《自然·光子学》和《物理评论快报》，引起海内外广泛关注。
“我们实现的是量子计算基础研究领域的第一步，一小步，但也是重要的一步。”面对蜂拥而至的媒体，潘建伟穿着惯常的驼色绒衫平静地说。
学界公认量子计算基础研究有“三步走”。第一步是展示超越首台电子计算机的计算能力，第二步是展示超越商用中央处理器的计算能力，第三步是展示超越超级计算机的计算能力。
潘建伟与陆朝阳课题组制造出的光量子计算原型机，计算速度超越了71年前诞生的世界首台经典算法计算机埃尼阿克(ENIAC)。一位审稿人评价：“你们构建了第一代‘ENIAC’量子机器。”
潘建伟院士
与此同时，朱晓波、王浩华、陆朝阳和潘建伟等科学家协同工作，成功实现10个超导量子比特的高精度操纵，打破了美国方面在2015年创造的9个超导量子比特操纵的纪录。
30年前，潘建伟考入中国科学技术大学近代物理系，与量子结缘。21年前，潘建伟师从量子力学大师塞林格，当被导师问及梦想，他脱口而出：“我要在中国建一个世界一流的量子物理实验室。”
如今作为中国量子领域研究的领军者，潘建伟雄心勃勃。他并不满足这两项最新成果，而是瞄准更高的要求。他说，要在2017年底实现大约20个光量子比特的操纵，同时制备出20个超导量子比特样品。他还说，要到2020年做到45至50个光量子比特的操纵，最终实现量子计算超越经典超级计算机的“量子称霸”目标。
由于量子计算的巨大潜在价值，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，大型高科技企业如谷歌、微软、IBM等早早布局量子计算研究。中国的科研院校及企业也必须参与这场国际竞争。
出生在浙江省，潘建伟用当地常见的“笋”来比喻中国量子计算领域的发展。他描绘说，笋尖刚长出来时进展较为缓慢，一旦长起来便越来越快。他说中国的量子计算就如“春笋”，“我们的爆发式增长已到了相变点”。
潘建伟有此判断，一方面是基于中国科学家多年积累。以他的团队为例，从1999年突破4光子纠缠操纵到2016年首次实现10光子纠缠操纵，他们始终“领跑”国际。
另一方面是国内已形成协同创新的良好风气，比如最新成果是由中国科学技术大学、浙江大学、中国科学院物理研究所等合作完成，并且得到中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室等方面的资助。
“未来将面临激烈的竞争，我希望结合国家实验室建设，让许多研究者面向同一个目标，集中全国力量去攻克量子计算机，突破国外的封锁。”潘建伟微笑着说，“保守一点说，用5至10年时间造出几台解决材料设计、化学研究、物理研究等需求的专用量子计算机”。
附表 量子应用大事记
1982年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出“量子计算机”的概念。
1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔证明量子计算机能够完成对数运算，且速度远胜传统计算机。
1997年，科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。
2005年，世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，基本符合了量子力学的全部本质特性。
2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。
2007年，维也纳大学的安东·齐林格和他的同事们用一对纠缠光子在加那利群岛的两个岛之间传输了一份量子信息，传送距离超过了143千米。
2010年1月，美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。
2010年3月，德国于利希研究中心发表公报：该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。
2010年，中国科大—清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输，传输距离达16公里。
2012年3月，IBM做到了在减少基本运算误差的同时，保持量子比特的量子机械特性完整性。
2015年7月，中国科学院与阿里巴巴集团旗下阿里云共同成立“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”，开展在量子信息科学领域的前瞻性研究。
2016年8月，，我国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功升空。
2017年3月，马云宣布启动阿里巴巴的“NASA计划”，并说“现在所研究的目标是为了解决10年、20年后的困难。
