漫画 | 5分钟看懂中国最新的量子计算机

作者： Sheldon

来源：墨子沙龙（ID：MiciusSalon）

量子力学说不定会成为

计算机系的必修课哦

阿基米德说过，

“给我一根杠杆，

我能撬动地球。”

那么问题来了：

为了承受地球的重量，

这根杠杆得多粗多长？

同样的道理，

在计算机科学家眼中，

给他一台传统计算机，

就能对一切任务进行运算。

只不过有些任务比较复杂，

运算时间有点儿长。

所以，从实践的角度讲，

传统计算机不是无所不能的。

在执行某些特殊任务时，

（比如令科学家头疼的NP问题）

它是“臣妾做不到的”。

2010年，MIT的计算机科学家

阿伦森和阿尔希波夫提出，

在一种类似于高尔顿板的

量子光学系统中，

进行“ 玻色采样 ”的任务，

传统计算机就搞不定。

在这种量子光学系统中，

光子就相当于弹珠，

多光子干涉仪相当于钉板，

单光子探测器负责查看

光子从哪个口子跑出来。

玻色采样看似是个普通问题，

可一旦牵扯到量子力学，

很多违反直觉的幺蛾子，

突然就冒出来了！

玻色采样中的幺蛾子

幺蛾子一：波粒二象性

在量子力学中，

光子既是一种粒子，

又是一种波。

一束波遇到障碍之后，

既会透射，又会反射，

所以，光子遇到分束器时，

既会透射，又会反射，

会同时从两侧跑出来。

幺蛾子二：不可区分性

两个光子的情况就更复杂了。

首先，两个光子可能完全一样，

你根本区分不了谁是谁。

幺蛾子三：多光子干涉

在同时经过分束器的时候，

两个光子的分身们，

有可能会相互叠加，

也有可能会相互抵消，

最终结果很难一句话说明白。

幺蛾子四：采样时波函数坍缩

当光子遇到出口的探测器时，

就会突然收起波动性，

展现出最初的粒子性。

一开始有两个光子进来，

最后只能让两个光子出去，

其余的“分身们”都必须消失，

这就是量子力学中的波函数坍缩。

总之，玻色采样，

就是N光子跑进去，

又随机从其中N个出口

跑出来的过程，

全部归 量子力学 管。

阿伦森和阿尔希波夫证明，

用传统计算机解决这个量子问题，

采样的时间会非常长。

如果一共有N个光子参与实验，

传统计算机的采样时间，

就会呈N^2×2^N的规律增加，

比直接做玻色采样实验慢得多。

如果量子光学实验设计得合理，

肯定比传统计算机的速度快。

所以，

这个实验装置本身，

可以称之为一种 光量子计算机 。

而它“计算”的内容，

正是对输出光子的分布进行采样。

如果光子的数量达到50个，

在传统计算机看来，

计算量就会增加到3百亿亿次！

即使你用上目前的超级计算机，

都不可能很快完成一次玻色采样，

只能直接在装置上做实验。

这就是一种“ 量子优越性 ”。

实验装置说起来容易，

但实现起来却十分困难。

比如，怎样才能干净利落地

产生单个光子？

怎样让产生的光子不可区分？

怎样才能降低玻色采样的损耗？

2017年5月，这些难题

被中科大潘建伟、陆朝阳研究组攻克了。

如果利用这个装置

对三个光子进行玻色采样，

采集一个样本只需要0.2毫秒。

同样的任务，

如果由世界上第一台传统计算机

ENIAC通过计算完成，

则至少需要44毫秒。

可以说，在这个特定的任务上，

量子计算机获得了胜利。

跟国际上其他同行类似的实验相比，

这个速度也快了24000倍。

不过，目前这个装置，

只尝试了5个光子的实验。

若想秒杀超级计算机，

开展50个光子的实验，

科学家还需要努力。

况且，玻色采样装置，

只能做玻色采样，

无法执行其他计算任务，

是一种非通用的量子计算机。

不过，造出玻色采样装置，

也为制造通用量子计算机

扫清了重要的技术障碍。

因为高品质单光子源，

高效率干涉仪，

都是它通用的最核心部件。

除了光学装置之外，

科学家还借助很多手段，

尝试实现量子计算。

例如 离子阱、核磁共振、

量子点、核自旋和超导 等等。

2017年3月，