中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学教授王浩华研究组，近期在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列突破性进展。在光学体系方面，研究团队在2016年首次实现十光子纠缠操纵的基础上，利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。在超导体系方面，研究团队打破了之前由谷歌、美国国家航空航天局（NASA）和加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）公开报道的九个超导量子比特的操纵，实现了目前世界上最大数目的十个超导量子比特的纠缠，并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。相关系列成果发表于国际学术期刊《自然-光子学》和《物理评论快报》上。

       量子计算利用量子相干叠加原理，在原理上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。一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可超过超级计算机。量子计算技术主要通过发展高精度、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。由于其巨大的潜在价值，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，同时，谷歌、微软、IBM等大型高科技公司也强势介入量子计算研究。

       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。在光子体系方面，潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平，并于2016年底把纪录刷新至十光子纠缠。在此基础上，团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，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“玻色取样”不仅比之前国际同行所有类似实验提速至少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。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》。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。朝着这一目标，潘建伟团队计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵。

       在超导体系方面，2015年，谷歌、NASA和UCSB宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵，这一记录在2017年被中国科学家团队首次打破。朱晓波、王浩华和陆朝阳、潘建伟等合作，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十比特量子态。研究团队进一步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《物理评论快报》。研究团队目前正致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试，并计划于今年年底前发布量子云计算平台。

      上述工作由中国科大、浙江大学、中科院物理研究所等协同完成，受到中科院-阿里巴巴量子计算实验室、国家自然科学基金委、科技部和教育部2011计划等资助。

　　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 

　　中国科学院3日宣布在量子计算机研究方面取得突破性进展，世界上第一台超越早期经典计算机的量子计算机诞生。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。

　　尽管现在这个量子计算机的“婴儿”还不如你握着的手机运算速度快，但著名物理学家、中国科学院院士潘建伟说，它是量子计算机打败经典超级计算机征途中“非常重要的一步”。

　　现在只是迈出第一步却是重要的一步

　　想要判断量子计算到底牛不牛、牛在哪，学术界有三个达成共识的指标性节点：计算能力超越早期经典计算机是第一步，再是超越商用CPU，最后是超越超级计算机。

　　关于量子计算研究的系列成果已经发表于《自然·光子学》等国际权威学术期刊上。“这意味着中国科学家研制出了量子计算领域的埃尼亚克（第一台电子管计算机ENIAC）。”《自然·光子学》的审稿人表示。

　　埃尼亚克作为世界上第一台电子管经典算法计算机，开辟了一个属于计算机的时代。而现在，以它为首的经典计算机真正的挑战来了——以前，量子计算速度比经典计算机快还只是停留在理论中，而中国这台量子计算机向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。

　　“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。”潘建伟说，这是历史上第一台超越早期经典计算机的量子模拟机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。这台量子模拟机，已经比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍。

　　预计2020年向超级计算机发起挑战

　　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，大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也强势介入量子计算研究。

　　来自中国科学院量子信息和量子科技创新研究院的信息显示，国际学术界关于量子计算技术的发展，集中于光子、超冷原子和超导线路这三个研究体系。其中，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，一直保持国际领先水平，其“多光子纠缠及干涉度量”项目获得2015年度国家自然科学奖一等奖。

　　“最快带来实际价值的体系是超冷原子量子模拟，将来很可能集成化的是超导量子计算，谷歌、IBM都在投入大量资源，积极布局。”潘建伟说。

　　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。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。

　　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。

　　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。

　　量子计算机

　　不是用来玩网游和发微信的

　　科学家认为，量子计算机会成为未来科技的引擎，是打开无限可能性的钥匙。一些经典算法不可能完成的任务，量子算法却可以轻松搞定。如果将未来的量子计算机比作大学教授，今天所谓超级计算机的能力甚至还比不上刚上幼儿园的小班儿童。

　　但科学家说，在可预见的将来，量子计算机并不会替代人们桌上的电脑和口袋里的手机，它更不是用来玩网络游戏和发微信的。量子计算机实际上是用来处理一些经典电子计算机的老大难问题。

　　《自然》杂志在2017年年初的一篇以《2017年将是量子计算机从实验室走进现实》为题的文章中说，量子计算长期以来都被认为是20年以后才会实现的技术。但是，2017可能是这领域改变其“仅限于研究”印象的一年。

　　科学家预计，量子计算机将使人类的日常生活大大改变。例如在公共安全领域，量子计算可以瞬间处理监控数据库中60亿人次的脸部图片，并实时辨别出一个人的身份；在公共交通领域，量子计算能够迅速对复杂的交通状况进行分析预判，从而调度综合交通系统最大限度避免道路拥堵；在气象预测方面，量子计算能够将仪器检测数据结合模型全面预测分析，从而实现更高精准度的天气预报……量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造、药物设计、金融分析、在宇宙中寻找第二个地球等领域具有突出优势。

　　“我认为10年之内做到100个量子比特的操纵没有问题，它的计算能力可以达到现在全世界计算能力总和的百万倍。”潘建伟说。

　　世界首台经典算法计算机

　　埃尼亚克

　　（ENIAC）

　　中国超导量子计算机路线图

　　2020年 向超级计算机发起挑战

　　2017年 第五代20比特

　　第四代10比特样品

　　2016年 首次实现10比特纠缠

　　第三代4比特样品

　　2015年 第二代比特样品

　　寿命提高到20微秒

　　2014年 第一代三比特样品

　　寿命5微秒

　　高品质单光子的背后，得益于电子线路的超低损耗。国际上同类设备在产生单光子时会损耗70%，只有30%可以利用。而这台设备仅仅损耗1%，利用率高达99%。

　　高品质单光子产生以后，通过光纤被引到可称之为“处理器”或“光学量子网络”的地方，这正是光量子计算机的第二个重要组成部分。单光子被分成5路，进入由上百个光学器件组成的矩阵。经过科学家的操控后，处理结果就会显示在计算机的屏幕上。

　　可别小瞧了这台看起来不起眼的设备，它通过激光来激发量子点，每次产生一个单光子。这个单光子的性能是目前国际上最好的，其品质甚至比世界排名第二的还要好上10至100倍。

　　全称为Electronic Numerical Integrator And Computer，即电子数字积分计算机，是世界上第一台经典算法计算机。它能够重新编程，解决各种计算问题。于1946年2月14日在美国宣告诞生。

　　埃尼亚克长30.48米，宽6米，高2.4米，30个操作台，重达31吨，造价48万美元。计算速度是每秒5000次加法或400次乘法。