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《科学美国人》:中国在全球量子竞赛中处于领先地位

发布时间:2021-07-26

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上个月,我校潘建伟团队在arXiv上发表了三篇预印论文,报告了量子通信和量子计算方面的重大进展。《科学美国人》杂志表示,这三项世界领先的成果使得中国在全球量子竞赛中处于领先地位。


三项世界领先的成果

在其中一项研究中[1],研究人员使用纳米级半导体量子点将单光子(量子网络的重要资源)可靠地在300多公里的光纤中传输,传输距离比之前的实验提高了100倍以上。


在另一项研究中[2],研究人员将光量子计算机“九章”探测到的光子从76个增加到113个,这是对其“量子计算优越性”的显著提升。

九章2.0

第三篇论文介绍了“祖冲之号”[3],这是一个由66个超导量子比特组成的量子计算机。使用其中的56个量子比特执行了一项随机电路采样任务,实现“量子计算优越性”,它的经典模拟复杂度比谷歌“悬铃木”高2到3个量级。


德州大学奥斯汀分校的理论计算机科学家、玻色采样理论提出者Scott Aaronson说:“这是一个令人兴奋的发展。我没想到他们在同一周内取得了两个这样的量子计算成果,那真是太疯狂了。”


这三项成果都是世界领先的,其中祖冲之号尤其吸引了科学家的讨论,因为这是谷歌2019年里程碑式成果的首次佐证。“我很高兴有人复制了这个实验并证明它可以正常工作,”领导构建了谷歌“悬铃木”的John Martinis说。“这对该领域来说再好不过了,超导量子比特是一个稳定的平台,你可以在其中真正构建这些机器。”


量子计算和量子通信是新兴技术,这些研究可能在未来很多年都不会有实际用途。但是量子技术的地缘政治风险很高:成熟的量子网络可以提供不可破解的通信渠道,强大的量子计算机理论上可以破解目前用于保护电子邮件和互联网交易的大部分加密。这就是全球量子竞赛的根源所在。


用量子比特来模拟量子

四十年前,物理学家理查德·费曼提出了一个直截了当的观点:试图模拟量子的经典计算机可能会被一台本身就是量子的计算机所超越。2019年,由John Martinis领导的谷歌团队通过展示“悬铃木”量子计算机执行某些特定任务的速度能够超越经典超级计算机,实现了量子计算优越性(尽管IBM团队对此有不同看法)。一年后,中国科学技术大学的研究人员利用基于光子的量子计算机进行了类似的实验。


为什么简单的量子计算机可以在特定任务上击败经典超级计算机?因为量子计算机使用的不是0或1的经典比特,而是量子比特,其状态在测量之前是0和1的叠加。为了实现协同工作,量子比特还必须相互纠缠。


从祖冲之号和悬铃木完成的任务来看可能更直观。Scott Aaronson说:“这非常简单,你所做的只是一个量子操作的随机序列。”这组混乱的指令将所有量子比特纠缠成一个大而复杂的状态。相比经典比特,量子比特表示这种状态更容易。例如,表示两个纠缠的量子比特需要四个经典比特(4种可能的结果:00、01、10或11)。状态复杂度呈指数级增长,因此50个量子比特需要250或大约1千万亿个经典比特来描述。光量子计算机创造了类似的复杂纠缠状态,只不过是用光子替代了量子比特。

“祖冲之号”超导量子处理器

这就是为什么即使是只有50个量子比特的小型量子计算机也能击败大型经典超级计算机。“西方国家并没有很多人在谈论重复谷歌2019年的实验,”John Martinis说,“中国团想认真地做这件事,我很钦佩。”


拥有56个量子比特和113个可探测光子,其中两篇arXiv论文中详述的中国科大的两台量子计算机在技术上已经是世界上最强大的量子计算机。但需要注意两点。首先,量子计算机目前不能做任何有实际价值的事情。其次,目前尚不清楚它们与经典计算机相比究竟有多少量子优势。在过去的几个月里,一些研究[4]声称能够近似表示这种复杂的纠缠态,特别是对于光量子计算机。


尽管使用光量子计算机存在困难,但中国科大的研究人员很有动力去完善这个平台,因为光子是中国新兴量子网络的媒介。2000多公里的光缆已经在北京和上海之间建立了初步的量子链接。这种链接不是完全的量子链接:它被可信中继节点分割开来,因为光子只能走这么远才不会受光纤中的噪声影响。量子网络可以有各种各样的应用,其中两个主要的应用是精确同步和不可破解的通信。


量子网络将需要纠缠的单光子,这些光子可以用于量子密钥分发(QKD)以及其他需要纠缠的操作。量子点被认为是单光子的理想来源。但长期以来,量子点从未在超过1公里的光纤中发送单个光子(通常,光纤越长,噪声越大)。中国科大研究团队设法增加了传输距离,同时降低了单光子的噪声。采取了一些难度很大的措施,例如将300公里光纤的温度稳定在0.1摄氏度以内。


量子领域的竞赛

中国在量子信息技术方面领先于美国吗?答案取决于你如何衡量它。根据相关统计,中美两国每年为这项研究提供超过1亿美元的资金。中国在整个量子技术领域拥有更多的专利总量,美国公司在量子计算专利方面具有显著领先优势。当然,中国拥有更复杂的量子网络,而现在也拥有了世界领先的量子计算机。 美国物理研究所(AIP)的科学政策分析师Mitch Ambrose说:“这对美国来说是一个新问题。因为它领先了这么久,在这么多领域,它还没有真正去思考落后意味着什么。”



编译自:

https://www.scientificamerican.com/article/china-is-pulling-ahead-in-global-quantum-race-new-studies-suggest/


论文链接:

[1]https://arxiv.org/abs/2106.15545

[2]https://arxiv.org/abs/2106.15534

[3]https://arxiv.org/abs/2106.14734

[4]https://arxiv.org/abs/2106.01445