量子计算机的机遇与挑战——《科学之光-量子神奇》第五讲

发布者:本科教学发布时间:2021-04-28浏览次数:10

《科学之光量子神奇》第五讲由国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者奖励计划特聘教授物理学院于扬教授主讲,带领同学们了解了量子计算机领域新的机遇和挑战。

于教授首先介绍了量子计算机的发展现状。2019年,谷歌用53比特的量子芯片,可以用200秒完成超级计算机1万年的计算量,由此可见,量子计算机可以成倍地提高计算机的算力。继谷歌宣称实现量子霸权后,各国都加强了对于量子计算机的投入,是目前量子技术领域名副其实的研究热点。

于教授接着简单地介绍了量子世界与经典世界的几点不同。首先是量子系统由一个多维态矢量描述,有叠加态、本征态和纠缠态等概念。其维度是不确定的,不同于经典世界用坐标和动量描述。其次是量子系统满足波动方程,因此有干涉、衍射、隧穿和量子化等独特的现象。最后就是量子系统的测量与经典世界不同,量子系统的测量就是把系统投影到态矢量的某一维上,测量后系统就在该维度上。

随后,于教授从于量子技术相关的诺贝尔奖的变化指出,科学家已经不满足于了解和描述量子世界,现在更向着控制量子系统为人类所用的方向发展。量子技术已经在量子通信技术、光钟的精密时间测量、量子陀螺的精密导航方面有了一些应用。

谈及量子计算机的优势及典型应用,于教授指出,目前量子计算机主要是可以利用大数分解的能力破解密码,这主要用到了shor算法实现指数加速。还有就是利用grover算法进行根号加速,实现大数据的快速搜索。于教授进一步指出,量子计算机可以成倍提高运算能力的根本原因是它利用了量子叠加性,把数据全部变成叠加态,并行处理所有叠加态。

介绍完量子计算机的优势后,于教授接着讲解了量子计算机目前面临的困难。首先就是量子比特的选择。落实到实际应用时,量子比特的很多要求相互矛盾,目前还没有找到合适的量子体系用作量子比特,以满足量子计算机的所有要求。举例来说,当量子比特的尺寸增加时,耦合会相对容易,但相干性会显著下降,相干时间明显增加,计算机的速度就会变慢。目前看来,量子比特物理处理器还有很多技术路线,例如超导、离子阱、硅量子点等等,各种路线都各有优缺点,仍处于一个开放竞争的状态。总的说来,量子计算仍然处于初期阶段,这对于我国来说既是挑战也是机遇。例如,于教授的课题组已经通过把超导量子比特特征频率固定并且稍微有0.5GHz的失谐量,再利用一个频率远高于超导比特的可调的谐振腔把两个比特耦合起来,调节谐振腔,可以实现三个数量级以上的开关比,而且快速调谐振腔不会影响量子比特。此外,由于量子比特频率固定,极大地提高了量子比特的退相干时间,也使得量子比特的标定大幅度简化,因而有希望成为今后超导量子芯片设计的趋势。通过实验验证,发现两比特保真度在30纳秒速度下可以达到99.5%。于教授指出,如果能够抓住量子计算机的发展方向,就可以在下一代电子技术里拥有话语权,避免被国外卡脖子的困境。

课后,同学们就麦克斯韦妖、能量与信息的关系等问题与于教授展开了深刻的讨论,气氛融洽,反响热烈。(物理学院 郭子靖)