今天，中国科学院量子信息和量子科技创新研究院在上海发布重磅消息：潘建伟团队在去年底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光量子计算机。该团队还计划在今年年底实现大约20个光量子比特的纠缠操纵。

潘建伟教授在新闻发布会上。黄海华摄

这台光量子计算机究竟长啥样？请跟随解放日报·上观新闻记者先睹为快吧。这台光量子计算机由两个重要部分组成，一是高品质量子点单光子源（见下图）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（量子点也被称为“人造原子”，具有制备可控、芯片化、容易集成等优势），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。“这些单光子长得一模一样，就连上帝也无法区分。”中科大陆朝阳教授形象地打了个比方。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%。

此为产生高品质量子点单光子源的设备。黄海华摄

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（见下图）。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。你所看到的这个“处理器”虽然样子比较简陋，但其“玻色取样”速度不仅比国际同行之前类似的所有实验加快至少24000倍，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。

高品质单光子处理器。黄海华摄

计算结果显示在了计算机的屏幕上。黄海华摄。

“如果求解一个亿亿亿变量的方程组，利用世界上最快的亿亿次超级计算机需要100年，而利用万亿次量子计算机，只需0.01秒。”潘建伟教授介绍，量子计算利用量子相干叠加原理，具有超快的并行计算和模拟能力。所谓的并行计算，也就是可以同时对2N个数进行数学运算，相当于经典计算机重复实施2N  次操作，其计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，例如一台操纵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，对于经典计算机无法解决的大规模计算难题可以提供有效解决方案，比如密码分析、气象预报、药物设计、金融分析和石油勘探等。

正是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。谷歌在2014年开始研究基于超导的量子计算机，微软则把赌注压在了一个还未经验证的概念——拓扑量子计算上。IBM计划未来5年内投资约30亿美元，主要包括量子计算、神经网络、硅光子技术等。

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的核心资源，一直是国际角逐的焦点。去年12月，潘建伟团队在国际上首次成功实现十光子纠缠，打破了之前由该团队保持多年的八光子纪录，再次刷新光子纠缠态制备的世界纪录。令人振奋的是，解放日报·上观新闻记者今天还获悉，潘建伟团队计划在今年年底实现大约20个光量子比特的纠缠操纵。

摩尔定律告诉我们，半导体晶体管的尺寸会达到纳米级，电子的运动规律不再遵循传统的经典的电动力学。那么，未来的计算机会是怎样的？潘建伟教授认为，量子力学在100年的发展过程当中，已经为解决这些重大问题做好了准备。量子计算机，可以理解为遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。2016年，世界上首个可编程的小型量子计算机诞生在美国马里兰大学。

业内人士普遍的共识是，当量子计算机发展到50个量子位的时候就能够实现“量子称霸”，超过世界上任何传统计算机。潘建伟教授认为，第一次量子称霸将会成为物理学和计算机科学的一个里程碑。由潘建伟团队构建的世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机，为最终实现这一目标奠定了坚实的基础。

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趁热打铁，让我们对量子和量子计算再多一些了解吧。

量子是现代物理的重要概念，最早由德国物理学家M·普朗克在1900年提出。量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元，也是能量的最基本携带者。量子有两个基本特性，一个是不可分割，一个是不可被精确地复制。

说到量子世界，有两个最基本的原理，一个是量子叠加原理，另一个其实是由量子叠加原理引申出来的量子纠缠。中科大陈宇翱教授曾经打过一个比方，量子就是孙悟空，它也有分身术，但跟孙悟空不一样的地方在于，在量子的世界里量子的分身术不能被人看到，一旦有人去看它，它的分身就会随机地消失，最后只留下一个。这也就是说，当有人对它进行测量，它就只有一种状态，如果没有人对它测量的话，它是多种状态并存。这个就是量子叠加原理。

关于量子叠加，还有一个非常著名的“薛定谔之猫”理想实验：一只猫被封在一个密室里，密室里有食物也有毒药，毒药瓶上的锤子由一个开关控制，开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物，猫就会死。量子理论认为：如果没有揭开盖子，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于非死非活的叠加态。

如果把量子叠加原理用于多个量子的情况会是什么呢？那就是被爱因斯坦称之为遥远距离诡异的相互作用的一个量子纠缠。陈宇翱教授又打了一个比方，“比如说我和你纠缠在一起，每个人都有两个分身各自在北京和上海，如果有人对我进行了测量，我的一个分身会消失，你的分身也会消失。比如我上海的分身消失了，那必然会发生的事情，就是你在上海的分身也会消失，这就是量子纠缠。”

题图照片：量子计算机研究实验装置 由采访对象提供。

视频为陆朝阳教授在介绍光量子计算机情况。