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  • 中国科学团队爆发了:首次实现50千米的量子存储器纠缠

    中国科学团队爆发了:首次实现50千米的量子存储器纠缠

     根据量子力学理论,两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都可以保持一种“幽灵般的超距作用”——两个粒子的状态密切相关,只要测定其中一个粒子,就能获知另一个粒子在此刻的状态。这样的性质在通信领域有着诱人的应用场景——作为最安全的通信手段,一旦有黑客试图对粒子进行测量,量子态就会不可避免地改变。 近些年来,量子通信因其无与伦比的安全性备受关注,但在技术层面,远距离的传输却面临大量挑战。其中之一,便是减少光纤中的信号损耗,以提升传输距离。 在一项发表于《自然》杂志的研究中,中国科学技术大学潘建伟团队首次让由50千米光纤相连的两个量子存储器实现纠缠,不仅大幅刷新了此前的纪录,也为构建基于量子中继的量子互联网奠定了重要基础。 尽管量子纠缠理论上不存在距离限制,但在实际技术层面,实现远距离的传输却面临众多挑战。 降低光子损耗 限制纠缠光子传输距离的一个重要因素,就是光子在光纤中的严重损耗。如果经过50千米的光纤传输,信号将衰减至最初的十亿亿分之一。这样的损耗程度,显然是量子通信无法接受的。 为了减少光子在光纤中的损耗,在这项最新研究中,潘建伟团队采用了一系列巧妙的手段。例如,存储器的光波原本在795纳米的近红外光,而研究团队将光波长转换成1342纳米的通信波段,大幅降低了光纤中的光子损耗程度。这时,在50千米的光纤中,相较于波长转换之前,衰减程度减少了足足16个数量级。 此外,研究者使用了一种环形腔增强技术来制备纠缠原子和光子,从而将量子光源的亮度提高了一个数量级,大幅提升传输效率。 在中科大的实验室中,研究团队开始了这项实验。他们在实验室内设置了两个量子存储器,每个存储器中含有铷原子团。利用这项装置,分别在两个存储器中建立起光子与原子团的纠缠。用激光照向铷原子团后,产生的光子与原子团形成纠缠。随后,光子分别沿着两条光纤传输,并在11千米外的合肥软件园中的中继器里汇合,进行干涉测量。这时,借助这个中间环节,就实现了两个存储器中铷原子团的量子纠缠。     实验装置图   50千米的纠缠 研究团队首先利用双光子干涉,实现了22千米的纠缠光子传输。这一结果已经大幅刷新了此前的纪录。在此基础上,研究团队更近一步,利用难度更高的单光子干涉进行量子纠缠传输。相较于双光子方案,“单光子方案的实验难度更高一些,因为它要求光子相位同步,”包小辉表示,“但由于只需要探测单个光子,因此单光子干涉的纠缠速率更高,理论上允许的通信距离更远。” 为实现远程单光子干涉,团队设计了双重相位锁定方案,并成功实现50千米的量子传输。相较于2015年的研究,除了传输距离的提升,纠缠概率、量子链路效率、纠缠时间等指标也都得到了显著提升。包小辉指出,纠缠概率的变化尤为关键:相较于2015年的研究,这项最新研究的纠缠概率高了近5个数量级,大幅提升了量子纠缠分发的能力。 这项研究通过一系列全新的设计,有效解决了光纤传输中信号衰减的难题,为构建基于量子中继的量子互联网奠定了重要基础。 不过,这项实验距离最终的目标仍有相当的距离。2015年研究的领导者Ronald Hanson在接受《科学》杂志采访时表示,这项实验是发展量子中继器的重要一步,但距离真正的中继器,仍有大量提升空间。例如目前的铷原子团还无法维持长时间的量子态,以满足多链路的需求。 此外,这项实验中两个量子存储器的实际距离只有不到1米,只是通过长距离的光纤连接。将两个节点的距离拉远后,实验难度将进一步增加。接下来,研究团队将实现真正远距离分开的双节点实验。 包小辉表示:“量子互联网按发展程度可分为量子密钥网络、量子存储网络、量子计算网络三个阶段。将这一工作拓展至真正远距离的双节点实验后,将有望以此为基础开展量子中继等研究,并构建量子存储网络的原型系统。” 量子中继器 2017年,潘建伟团队曾利用“墨子号”量子通信卫星,在相距1200千米的青海德令哈基站和云南丽江高美古基站之间,实现纠缠态光子的传输,创下量子纠缠传输距离的纪录。不过,通过卫星进行的纠缠态光子传输损耗很大:墨子号每秒发射的600万对纠缠态光子中,只有一对可以被地面基站接收到。而且,卫星传输更适用于大尺度的覆盖,而城市间的量子通信,则需要基于地面的量子通信网络。 在此之前,包括潘建伟团队在内的研究团队已经通过光纤构建出城域量子通信网络,但由于光纤中的损耗不可避免,这样直接点对点的量子通信方式,距离受到限制。因此,科学家逐渐意识到,要实现更远距离的量子通信,就必须在途中建立“驿站”。 这样的“驿站”,就是量子中继器。量子中继器的核心思想,是将远距离点对点传输转换为分段传输。在两个节点分别产生原子与光子的纠缠后,光子通过光纤分别传输至中间节点,也就是量子中继器中。这时,在量子中继器中对两端的光子进行干涉,再进行分发,就实现了两个相距甚远的节点的量子纠缠。因此,这种思路有望大幅拓展安全通信距离。 “卫星传输更适用于广域大尺度覆盖,以及无法铺设光纤的场合,”最新论文的第一作者包小辉教授在接受《环球科学》采访时介绍道,“而基于量子存储的量子中继主要适用于光纤地面网络,用来实现城域及城际覆盖。” 然而,实现这一想法的难度颇高。此前,最远的光纤量子中继仅有1.3千米。这是2015年时,荷兰代尔夫特理工大学的研究人员取得的突破性进展。他们在校园内相距1.3千米的地方,首次验证了实现远距离量子纠缠的可行性。 对于这项研究,1.3千米的光纤传输已是极限;但对于量子通信来说,还远远不够。

    时间:2020-02-17 关键词: 量子纠缠 单光子

  • 首次!中国实现无人机量子纠缠分发

    首次!中国实现无人机量子纠缠分发

    根据著名期刊《国家科学评论》(National Science Review)发表的研究成果,中国研究人员在国际上第一次实现了基于无人机的量子纠缠分发,填补了该领域的空白。 据悉,南京大学祝世宁、谢臻达、龚彦晓团队历时两年多研发了这套无人机量子分发系统。在试验中,由一架八轴旋翼无人机搭载重约10公斤的量子通信系统,在几十米高空分别向100米外地面上的两个便携式地面站发射一对纠缠光子,均几乎完好抵达。 测量结果显示,A、B两点光子纠缠态的贝尔不等式S值达到2.49,量子纠缠分发获得成功。 另外,无人机搭载的纠缠光源净重只有468克,比传统技术下轻了一个数量级以上,但效率依然非常高,每秒可产生240万对纠缠光子。 有评论指出,量子通信的“下一个最佳选择可能是相对便宜的无人机”。 量子纠缠是一种奇异的量子力学现象,处于纠缠态的两个光子不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变,另一个的状态会瞬时发生相应改变。

    时间:2020-02-11 关键词: 无人机 量子通信 量子纠缠

  • 爱因斯坦不敢相信的物理“幽灵”效应:被拍到了

    爱因斯坦不敢相信的物理“幽灵”效应:被拍到了

    科学家们捕捉到了世界上第一张“量子纠缠”的真实照片。这是一种奇怪的现象,物理学家爱因斯坦甚至曾称其为“远方的幽灵”。来自苏格兰格拉斯哥大学的物理学家拍摄到了这张惊人的照片。图:University of Glasgow虽然看起来只是一张灰蒙蒙的照片,但这却是我们第一次看到粒子相互作用的场景,而这也正是形成量子计算的基础。量子纠缠指的是——当几个粒子形成了不可分割的连接后,无论它们相距多远,一个粒子发生的所有情况都会立即影响到另一个粒子。这张特殊的照片显示了两个光子之间的纠缠。它们不仅相互作用,并且在短时间内共享了物理状态。该研究的主要作者Paul Antoine Moreau表示:“这幅图像优雅地展示了自然的本质属性。”Moreau和其他物理学家一起研制了一个系统,用他们所说的“非常规物体”发射出纠缠的光子流。这场实验实际上捕捉到的是四种不同相变下的光子图像,如下图所示:图:Moreau et al., Science Advances, 2019而你最终看到的图像实际上是光子经过了一系列相变后多重图像的合成。物理学家将纠缠的光子分裂开来,令一束光穿过一种叫作β-硼酸钡的液晶材料,以此引发四次相变。与此同时,研究人员拍摄了相互纠缠的光子对在经过相同相变时的照片,无论它有没有穿过液晶材料。就如下图所示:光束从左下角出发,分裂一半通过四相位滤波器,其它的则是直接经历了相同的相位变化。图:Moreau et al., Science Advances, 2019摄像机捕捉到的图像显示,尽管光子束被切割了,却还是以同样的方式在移动。换句话说,它们发生了纠缠。当量子纠缠的理论因爱因斯坦而出名时,已故的物理学家John Stewart Bell帮助完善了量子纠缠的定义,并建立了贝尔不等式。基本上,如果能打破贝尔不等式,就能确认真正的量子纠缠。研究人员表示:“这个实验观察到的图像,就等于打破了贝尔不等式。”这一结果为未来的量子成像开辟了新的道路。

    时间:2019-07-29 关键词: 爱因斯坦 物理 量子纠缠 幽灵效应

  • 当黑洞遇上量子纠缠:或许会发生意想不到的情况!

    研究人员开发出了一种穿越宇宙的新方法,但这种方法不仅具有无法言说的危险性,而且速度可能异常缓慢。该方法涉及连接特殊黑洞的虫洞,而这些黑洞很可能一开始并不存在。另一方面,这或许还可以解释信息从一个点量子传送到另一个点时可能会发生什么。     哈佛大学物理学家丹尼尔·贾弗里斯(Daniel Jafferis)于4月13日在美国物理学会的一次会议上描述了这种方法。他表示,这种方法涉及两个相互纠缠的黑洞,它们因此可以跨越时空连接在一起。 虫洞是什么? 贾弗里斯等人的想法解决了一个长期存在的问题:当物体进入虫洞时,它需要负能量才能从另一侧离开。在正常情况下,虫洞出口的时空形状使其无法通过。但在理论上,具有负能量的物质可以克服这个障碍。然而,在关于引力和时空——用来描述虫洞——的物理学中,没有任何允许这种负能量脉冲存在的可能。因此,虫洞实际上是不可能通过的。 “它只是一种空间连接,但是,如果你试图穿过它,它就会以极快的速度坍缩,以至于你无法通过,”贾弗里斯说道。 这个较早的虫洞模型可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦和纳森·罗森(Nathan Rosen)于1935年发表在《物理评论》(Physical Review)上的一篇论文。这两位物理学家意识到,在某些情况下,相对论会允许时空极为弯曲,以至于会形成某种隧道——或者“桥梁”——将两个独立的点连接起来。虫洞因此也被称为“爱因斯坦-罗森桥”。 爱因斯坦与罗森在研究引力场方程时假设黑洞与白洞(广义相对论中性质与黑洞相反的区域)之间通过虫洞连接,认为通过虫洞可以进行瞬时空间转移或时间旅行。迄今为止,科学家还没有观察到虫洞存在的证据。 爱因斯坦和罗森写这篇论文的部分原因是为了排除宇宙中存在黑洞的可能性,但是在那之后的几十年里,随着物理学家逐渐认识到黑洞的存在,虫洞的标准图像就变成了一个隧道,两端的开口以黑洞的形式出现。然而,按照这一理论,像隧道一样的虫洞很可能永远不会自然存在于宇宙中;如果存在的话,那么也会在任何东西穿过它之前就转瞬即逝。20世纪80年代,美国物理学家基普·索恩(Kip Thorne)写道,如果施加某种负能量使虫洞保持打开状态的话,或许就能使物体穿过这个虫洞。 量子纠缠 贾弗里斯与哈佛大学的物理学家高苹以及斯坦福大学的物理学家艾伦·沃尔(Aron Wall)一起,开发了一个利用负能量的新方法。这种负能量来自一个非常特殊的物理学领域——量子纠缠。 量子纠缠来自量子力学,而不是相对论。早在1935年,爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和纳森·罗森在《物理评论》上发表了另一篇论文,表明在量子力学的规则下,粒子可以彼此“关联”,其中一个粒子的行为会直接影响另一个粒子的行为。 爱因斯坦、波多尔斯基和罗森认为,这种现象证明了他们的量子力学理论有问题,因为这将允许信息在两个粒子之间以超过光速的速度移动。现在,物理学家知道量子纠缠是真实存在的,量子隐形传送几乎是物理学研究的常规部分。 量子隐形传送的工作原理是这样的:让两个光子A和B纠缠,然后,把B交给你的朋友带到另一个房间;接下来,用第三个光子C撞击A,这就使A和C纠缠并破坏A和B之间的纠缠。你可以测量A和C的组合状态——与A、B或C的原始状态都不同——并将组合粒子的结果与在隔壁房间的朋友交流。 在不知道光子B状态的情况下,你的朋友就可以利用这些有限的信息来操纵B,以获得粒子C在整个过程开始时的状态。通过对B的测量,她可以在没有其他信息的情况下知道C的初始状态,换句话说,粒子C的信息从一个房间传送到了另一个房间。 量子隐形传送很有用,因为它可以充当一种不可破解的代码,用于将消息从一个点发送到下一个点。量子纠缠不仅仅是单个粒子的性质,较大的物体也会纠缠,尽管它们之间的完美纠缠要困难得多。 纠缠的黑洞可否让人通行? 在1935年写下这些论文的物理学家并没有意识到虫洞和量子纠缠之间的联系,但在2013年,物理学家胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)和伦纳德·苏斯金德(Leonard Susskind)在《物理学进展》(Progress in Physics)杂志上发表了一篇论文,将这两种理论联系了起来。他们认为,两个完全纠缠在一起的黑洞会在它们的两个空间点之间形成一个虫洞。他们将这个想法称为“ER=EPR”,因为它将爱因斯坦-罗森的论文与爱因斯坦-波多尔斯基-罗森的论文联系了起来。 当被问及宇宙中是否真的存在两个完全纠缠在一起的黑洞时,贾弗里斯说:“不,不,肯定不存在。”这并不是说在物理学上不可能出现这种情况,而是说这种情况过于精确和庞大,以至于无法在我们这个混乱的宇宙中产生。出现两个完全纠缠在一起的黑洞就像中了彩票一样,只是可能性小了无数倍。 贾弗里斯表示,如果它们确实存在,那么当第三个物体与其中一个黑洞发生作用时,它们就会失去这种完全的相关性。但是,如果在某个地方刚好存在这样一对黑洞,那么贾弗里斯、高苹和沃尔的新方法可能就会奏效。 他们的研究结果于2017年12月首次发表在《高能物理杂志》(The Journal of High Energy Physics)上,所阐述的过程类似于:首先让你的朋友进入一对纠缠黑洞的其中一个里面,然后测量从黑洞发出的霍金辐射,里面就包含着黑洞状态的一些信息;接着,把这些信息带到第二个黑洞,并用该信息操纵这个黑洞。这一过程可以很简单,就好比从第一个黑洞向第二个黑洞释放一束霍金辐射。理论上,你的朋友应该会在进入第一个黑洞的同时从第二个黑洞中出来。 贾弗里斯称,从他的角度看,他的朋友可能是先跳入一个虫洞,当她接近奇点时,她会感受到一股负能量的“脉冲”,把她推到另一边去。他表示,这个方法并不是特别有用,因为它总是比在两个黑洞之间的物理移动更慢。不过,该方法也确实揭示了宇宙的某些性质。 贾弗里斯认为,从纠缠粒子之间传递的少量信息来看,类似的情况可能正在发生。他说,在单个量子物体的尺度上,谈论利用时空弯曲来产生虫洞并没有什么意义;但是,如果是用更多的粒子来实现稍微复杂一点的量子隐形传态,则虫洞模型突然间就变得很有意义了。有强有力的证据表明,这两种现象是相互关联的。 这项研究也有力地表明,丢失在黑洞里的信息可能会被带到某个地方,或许有一天还能被找回。贾弗里斯还表示,如果未来某一天你不幸掉进黑洞,那并不意味着没有任何生还的希望。一个足够先进的文明或许能够缩放该区域的宇宙,收集黑洞在亿万年的时间里缓慢释放的所有霍金辐射,并将这些辐射压缩成一个新的黑洞,使其与原来的黑洞纠缠。一旦新的黑洞出现,就有可能把你从里面救出来。 贾弗里斯表示,这种在黑洞之间移动的方法的理论研究还在进行中。不过,我们的目标更多的是理解基础物理,而不是拯救掉入黑洞的人——当然,最好也不要冒这个险。

    时间:2019-04-17 关键词: 黑洞 量子纠缠

  • 填补全球试实验空白,中国科学家实现量子纠缠态自检验!

    填补全球试实验空白,中国科学家实现量子纠缠态自检验!

    近年来,我国科学技术发展迅速,无论是半导体领域还是基础科学领域都有了长足的发展,近日我国在量子纠缠领域有了新突破。 据道,日前中科大团队在测量设备不可信条件下试验获知了未知量子纠缠态保真度信息,这是首次在国际上实现了量子纠缠态的自检验。目前这一成果已经发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。 据了解,量子纠缠是量子信息领域的重要资源,学术界通常采用量子态层析的办法来测定量子纠缠态,这种方法不能用于承担对安全性有要求的量子信息任务。如果量子通信的检测设备被窃听那就会对量子通信的保密性造成威胁。为解决这一问题,科学家们提出了多种纠缠度量方法,可以不依赖检测设备的可信度进行量子纠缠自检验,尽管有大量理论但相关实验依旧是空白。     此次中科大团队通过巧妙设计并试验实现了两比特和三比特量子纠缠自检验,针对不同形式的量子纠缠态,这一技术在测量设备不可信条件下,可以获得未知量子态的保真度信息,并和传统的量子态层析方法结果对比,验证自检验结果的可靠性。 据悉,这是国际上首个具有“高可靠、抗干扰”特性的纠缠态自检验实验,为把自检验推广应用于各种量子信息过程,推进量子通信和量子计算研究打下重要基础。 虽然我国电子科学技术与美国还有一定的差距,但在一些领域,我国发展快速,大有赶超之势。今年,美国对中国的种种打压恰恰说明了中国的崛起,有了阻挡,前路会比较难走,吾辈需要更努力!

    时间:2018-12-24 关键词: 量子通信 量子纠缠

  • “中国造”量子计算原型机 靠谱吗?

    “中国造”量子计算原型机 靠谱吗?

    5月3日,世界第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机问世,这台量子计算机由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波,浙江大学王浩华教授研究组联合研制。     其实这并不是中国第一次公开在量子计算方面取得的成绩,在2016年,央视新闻报道:中国量子计算机取得突破性进展,中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片和量子存储。在上个月,中国科学院院长白春礼院士透露,中科院正在研制中国首台量子计算机,预计在最近几年内有望研制成功。 那么量子计算到底什么?相对于现在使用的经典计算机,又有什么优势呢?本次发布的量子模拟机性能究竟怎么样呢? 经典计算机发展遭遇瓶颈 在过去几十年中,由于计算机技术飞速发展,芯片的集成度和制造工艺突飞猛进。但随着制造工艺的进步,晶体管栅长不断变小的同时,也带来了副作用——那就是会使电子移动的距离缩短,容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动,为了解决这个问题,国外巨头开发出SOI技术和鳍式场效电晶体技术,通过在源极和漏极埋下一层强电介质膜,或者增加绝缘层的表面积来增加电容值,防止发生电子跃迁,这使得摩尔定律得以延续。 但随着制造工艺发展到7nm,如果要进一步缩短晶体硅的栅长,又会发生隧穿效应,粒子迅速穿越势垒——在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;而对于微观粒子,量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒。     打个比方,就是只如果你面前有一道10米高墙,按照经典力学,如果找不到合适的工具,你就翻不过去。但对于微观粒子来说,由微观粒子波动性,可以直接穿墙而过。正是由于隧穿效应使得摩尔定律在当下已然失效,经典计算机发展陷入瓶颈。经典计算机发展中已经逐渐遭遇功耗墙、通信墙等一系列问题,传统计算机的性能增长越来越困难。最典型的例子莫过于CPU巨头Intel,在2013年之后,Intel的CPU性能增长比较有限,因而被网友调侃是“牙膏厂”。在不久前更是取消了有20年历史的英特尔开发者论坛。这其中的原因之一就是撞上了性能天花板。 在经典计算机发展遭遇瓶颈的情况下,探索全新物理原理的高性能计算技术就成为必由之路。 量子计算的优势     量子计算机具有极大超越经典计算机的超并行计算能力。例如,如果是求一个300位数的质因数,目前的超算估计用十几万年的时间来完成,而量子计算机原则上可以在很短的时间内完成。因此,量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势,是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。 中国科学院院长白春礼院士曾表示: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。 本次发布的两台量子计算原型机性能到底咋样 以目前的情况看,低温超导系统和量子点系统由于具有较好的可拓展性,公开的研究成果也比较多。 就量子点系统而言,中国暂时领先西方国家。在2016年,中国科技大学量子实验室成功研发了半导体量子芯片由砷化镓材料制造,用量子点(用半导体工艺做出一个模拟原子能级的结构)实现量子比特,逻辑比特数量为3个。半导体量子芯片精度达到90%,在量子纠错码的辅助下,该量子芯片的精度也达到了满足容错计算的精度。相比之下,国外目前还停留在四个量子点编码的两个比特,在该领域中国已经达到国际领先水平。 本次发布会上公开的是两个量子计算原型机,一种基于低温超导系统,一种基于线性光学,两个量子计算原型机都有10个量子比特。超过了美国航天航空局、加州大学圣芭芭拉分校、谷歌宣布实现的9个超导量子比特的高精度操作。 那么,这两台量子计算原型机性能究竟怎么样呢?     这两台量子计算原型机虽然符合标准的量子计算概念,但都是专用机,而非通用机——超导系统那一台原型机是用来做线性方程组求解的;基于线性光学的原型机是用来做玻色取样的。 在性能上,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。     换言之,就是这两台量子计算原型机只是在线性方程组求解和玻色取样任务时,与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)相比较,运行速度快10-100倍。 因此,这两台量子计算原型机是专用机,而且对比的对象也是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)。从中可以看出,这两台量子计算原型机只是量子计算机发展历程中的一小步。虽然在未来也许会有与ENIAC、TRADIC类似的历史地位,但无论从性能,还是从通用性的角度上说,都不宜过度拔高这两台有10个量子比特原型机的先进性。     同时,也不能因此就贬低这两台量子计算原型机。毕竟不积跬步,无以至千里,不积小流,无以成江海。只要不断取得技术突破,夯实技术储备,就有可能制造出具有超越“神威太湖之光”计算能力的量子计算机。 需要说明的是,相对于两个量子计算原型机实现了10个量子比特的成绩,中国科研团队的量子操作水平格外出色——这种量子计算专用机运行一次,就相当于做一次超高难度的物理实验。能够制造并使用这种量子计算专用机需要非常高的操作水平。 因而中国发表两台有10个量子比特原型机,折射出在量子操作水平上,中国科研团队已经处于暂时领先地位。而且潘建伟研究团队还计划在2017年年底实现大约20个光量子比特的操作。 一、量子计算靠的是“叠加”和“纠缠” 量子计算是一种基于量子效应的新型计算方式,它通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。     量子计算机原理 所谓的量子位是一个具有两个量子态的物理系统,一般在量子信息学中,量子是最小的不可分割的能量单位,基本单位就是量子位,或者叫做量子比特。而量子态呢,就是电子做稳恒的运动,具有完全确定的能量。 量子叠加     1个量子位同时有0和1两个状态,相应的N个量子位可同时存储2的N次方个数据。所以,量子计算机操作一次的效果就等于同于普通电子计算机进行2的N次方次操作的效果,再直白点,就是量子计算能一次完成2的N次方个数据的并行处理,这样计算速度完全秒杀传统计算机。 量子纠缠 还有一个名词你要了解——量子纠缠,处于纠缠态的两个粒子有一个奇妙特性,一旦对其中一个粒子进行测量确定了它的状态,那么就立即知道另一个粒子所处的状态。即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的状态,爱因斯坦把这称之为“鬼魅似的远距作用”。 因此,当量子系统的状态变化时,纠缠态的粒子状态都可以发生变化。量子计算就是利用了量子叠加和量子纠缠的特点实现了高超的并行计算能力。       超导量子计算机 高性能计算领域的“小公举” 举个例子,“天河二号”超级计算机要是求解一个亿亿亿变量的方程组,要耗上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。 如果是求一个300位数的质因数,目前的超算估计用十几万年的时间来完成,而量子计算机原则上可以在很短的时间内完成。因此,量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势,是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。 计算能力超越早期经典计算机 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。 上述我们提到的这台光量子计算机,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。 本次发布会上公开的两个量子计算原型机,一种基于低温超导系统,一种基于线性光学。超导系统那一台原型机是用来做线性方程组求解的,这台原型机实现了目前世界上最大数目——10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。     基于超导量子处理器的线性方程解法演示 基于线性光学的原型机是用来做“玻色取样”的。实验测试表明,该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快了至少24000倍。 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。 10个量子比特的纠缠是个什么概念? 两个量子计算原型机都有10个量子比特的纠缠,这是一个什么概念?前面我们提到,量子计算需要利用大量互相纠缠的量子比特才能实现。而多粒子纠缠的操纵也一直是量子计算的技术制高点,一直是国际角逐的焦点。 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。显然,这个记录已经被中国科学家团队首次打破。     十超导量子比特的纠缠态 这种量子计算专用机运行一次,就相当于做一次超高难度的物理实验,能够制造并使用这种量子计算专用机需要非常高的操作水平。中国的研究团队还计划在2017年年底实现大约20个光量子比特的操作。 三、量子计算机的“心脏”研制到底有多难? 正如在电子计算机中CPU扮演了关键的角色,在量子计算机研制中,量子芯片同样是“心脏”,至关重要。     量子计算机处理器 如果将来的量子计算机要超越现有电子计算水平,需要多于1000个量子比特构成的芯片。但这种规模的量子比特构成的芯片目前的技术还做不到。 而且单纯有数量足够多的量子比特还是不行的,因为量子比特并不稳定。量子技术需要利用量子相干性才可以做计算,彼此有关的量子比特串列,会作为一个整体动作,只要对一个量子比特进行处理,影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。但是,每个量子比特都非常脆弱,很容易被环境干扰,使量子的相干性丧失,而且干扰的速度随着体系的扩大而呈指数增加,量子比特越多,干扰的速度也越快。     中国科学院量子计算实验室 资料图 这时候就必须采用纠错码技术,鉴定噪声的可能状态,在假定了噪声特性的基础上,构建纠错码系统,构建纠错容错的理论体系。比如通过纠错码过程对数个物理比特做冗余,最后生成了一个逻辑比特,逻辑比特有很好的容错特性,可以纠正干扰引起的所有错误。 如果能够达到容错预值,在外界噪声低到一定水平,操作达到一定精度之时,就可以满足容错计算。那这个精度要多高呢?以杜江峰院士研究组的研究成功为例,在传统的纠错码下量子逻辑门精度达到了99.99%,其单比特门精度已经满足容错计算的需求。 总而言之,要想研制超越现有电子计算机的量子计算机,首先要有满足容错计算的需求的逻辑比特,然后进行系统扩展,实现数十个、上百个逻辑比特,而且都达到满足容错计算的精度,这样就可以得道性能出色的量子芯片,然后在结合控制系统、测量装置等硬件和编程、算法等软件制造出量子计算机。     四、其意义不亚于核武器 那么,量子计算机主要有哪些应用前景,又和我们的生活有什么相关呢? 包括量子计算机在内的量子技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景,量子隐形通信系统将建立在各类作战指挥控制体系之间和各种侦察预警系统、主要作战平台以及空间武器系统之中,从而构建出量子信息化战场的通信网络,以其超大信道容量、超高通信速率等特性,在未来的信息化战争中扮演无可替代的角色。甚至有人认为,量子计算的意义不亚于核武器…… 在医学检测、药物设计、基因分析、各种导航等方面它也将起到巨大的作用,会给我们的生活带来极大的改变。比如天气预测,量子计算机可以一次分析所有数据,向我们提供更好的模型,精准地显示恶劣天气会在何时何地出现,就像这两天北京的沙尘暴,可以做到提前预防。“我们现在的天气预报只能预报几天,因为如果要预报第六天、第七天,计算的时间可能需要100天,而100天后再来预测第六七天的天气就没什么意义了”,潘建伟说。 结语 “量子计算机是一项颠覆性的技术,一旦成功研发,就可以破解现在所有的密码,另外它还可以解决大数据等等问题。” 中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿曾说。   虽然,目前的技术成果距离真正建成性能优于传统经典计算机的标准量子计算机来说依旧有一定难度。但在量子计算方面,中国的多项成果都已打破世界记录,我们也期待超过经典电子计算机的标准量子计算机能够早日问世。

    时间:2017-05-11 关键词: 计算机 超级计算机 技术前沿 量子计算 量子纠缠

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